電子行業(yè)有機廢氣處理裝置改造工程實例

劉會成

【摘 要】CORTH軟件是具有滑速比的四方程均勻流模型的熱工水力子通道軟件，應(yīng)用于反應(yīng)堆堆芯熱工水力分析。在全堆芯pin-by-pin的耦合計算中，使用CORTH軟件進行全堆芯燃料棒級別（Pin-Level）的熱工水力子通道分析，但計算效率無法滿足需求。本文通過開發(fā)軸向并行模塊，提高了CORTH在全堆芯子通道分析的效率。

【關(guān)鍵詞】子通道;CORTH;全堆芯;并行

中圖分類號： TL33 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）11-0046-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.11.021

【Abstract】CORe Thermal Hydraulic analysis program（CORTH）is a Sub-channel program with uniform model. It has been used in total core pin-by-pin coupled anylysis to calcaulate Pin-Level coolant temperature and density.The axial parallel module is Development in CORTH to improve the calcaulate efeective.

【Key words】Subchannel;CORTH;Whole core;Parallel method

0 引言

熱工水力子通道計算軟件CORTH采用具有滑速比的四方程均勻流模型，可以描述一系列相連或不相連的子通道在穩(wěn)態(tài)工況下單相流和兩相流，主要用于對反應(yīng)堆堆芯或帶發(fā)熱棒束實驗的熱工水力分析。通過子通道熱工水力分析，可得到堆芯的溫場、流場、壓力場分布，并可對堆芯燃料棒進行DNBR（偏離泡核沸騰比）分析。

在全堆芯pin-by-pin的耦合計算中，使用CORTH軟件進行全堆芯燃料棒級別（Pin-Level）的熱工水力子通道分析，為物理模塊提供燃料棒級別的熱工水力參數(shù)，但計算效率無法滿足需求。本文通過開發(fā)軸向并行模塊，提高了CORTH在全堆芯子通道分析的效率。

1 子通道軟件計算流程

CORTH軟件的計算流程見圖1，其過程為：

（1）讀入由用戶輸入的界面數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)的子通道例題;

（2）根據(jù)例題生成相應(yīng)的物性、滑速比、空泡份額等查詢表;

（3）求解質(zhì)量、能量和動量守恒方程組，得到堆芯的壓力場、溫場、流場分布;

（4）根據(jù)堆芯參數(shù)分布計算堆芯的DNBR分布。

軟件的核心模塊為守恒方程求解模塊。

2 軸向并行模塊開發(fā)

子程序在使用中一般沿冷卻劑流向?qū)⒍研据S向劃分為10-100個軸向?qū)印３绦驈亩研救肟谝来斡嬎忝恳粋€軸向?qū)拥臒峁に?shù)，并以上游的參數(shù)作為每個軸向?qū)拥娜肟跅l件。CORTH軟件串行版本中軸向?qū)佑嬎銥楦鶕?jù)冷卻劑流動方向由下向上順序計算，由于守恒方程組數(shù)值解法中采用一階迎風(fēng)差分，計算每一個軸向?qū)樱╦層）參數(shù)時需要以其上游軸向?qū)樱╦-1層）的參數(shù)作為已知量。軸向?qū)硬⑿惺紫刃柽M行軸向?qū)拥慕怦睿聪枯喌杏嬎鉰層參數(shù)對j-1層參數(shù)的依賴關(guān)系。

軸向并行模塊開發(fā)的主要過程為：（1）軸向?qū)硬⑿薪怦盍鞒淘O(shè)計;（2）軸向?qū)硬⑿蟹桨冈O(shè)計;（3）并行數(shù)據(jù)傳遞;（4）軸向?qū)硬⑿写a實現(xiàn)，包括共享內(nèi)存（OPENMP）并行開發(fā)和MPI并行開發(fā)。

2.1 軸向?qū)硬⑿薪怦盍鞒淘O(shè)計

CORTH軟件軸向?qū)硬⑿薪怦畹牧鞒淘O(shè)計的思路為：在每輪（t）迭代中，以迭代上一輪（t-1）的上游軸向?qū)樱╦-1層）作為已知參數(shù)來計算該輪（t）中第j層的參數(shù)，由于采用了上一輪迭代的結(jié)果，消除了本輪迭代中軸向?qū)訁?shù)的耦合關(guān)系。

CORTH軟件軸向?qū)硬⑿薪怦畹牧鞒桃妶D2，計算中軸向?qū)影磸纳系较碌捻樞蛴嬎悖瑒t每一輪迭代中使用的參數(shù)都為上一輪的值。

2.2 軸向?qū)硬⑿蟹桨冈O(shè)計

軸向?qū)硬⑿械姆桨笧椋?/p>

（1）初始化堆芯所有軸向?qū)颖褥蔴、質(zhì)量流速G和壓力P;

（2）并發(fā)計算所有的軸向?qū)樱玫叫碌亩研据S向?qū)颖褥蔴、質(zhì)量流速G和壓降dp;

（3）將所有堆芯軸向?qū)拥膆、G和dp傳輸回主節(jié)點，根據(jù)dp更新堆芯壓力P;

（4）以新得到的h、G和P進行新一輪計算，直到收斂。

2.3 并行數(shù)據(jù)傳遞

在進行并行計算時，需考慮數(shù)據(jù)的傳遞和聚合，即當(dāng)并行計算開始時，將各節(jié)點所需的數(shù)據(jù)由主節(jié)點傳遞到相應(yīng)節(jié)點;當(dāng)并行計算完成后，將各節(jié)點的計算結(jié)果傳遞回主節(jié)點進行聚合。由于目前的堆芯參數(shù)對采用二維數(shù)組的形式定義和存儲（例：h[i][j]為第i個子通道在第j個軸向?qū)拥谋褥手担瑢⒍S數(shù)組傳遞到各節(jié)點不僅數(shù)據(jù)傳輸量大，且聚合時存在較大困難（多個相同定義的二維數(shù)組的聚合），因此需對實際傳遞入各節(jié)點的數(shù)據(jù)進行重新定義和設(shè)計。

根據(jù)模型的數(shù)值解法，j軸向?qū)佑嬎銜r只需j層和j-1層的相關(guān)數(shù)據(jù)，因此定義相應(yīng)的一維數(shù)組存儲數(shù)據(jù)，在并行計算開始時，首先將二維數(shù)組數(shù)值賦給一維數(shù)組，再傳入對應(yīng)節(jié)點;并行計算結(jié)束，將不同節(jié)點的一維計算結(jié)果傳輸回主節(jié)點聚合成最終的二維數(shù)組結(jié)果。

3 程序效率比較

與串行程序比較，并行計算不同子通道數(shù)目的時間見下表。

以測試例題為例，不同并行核數(shù)下的計算時間為：

4 結(jié)論

本文開發(fā)了CORTH軟件的軸向并行模塊。通過與參考程序比較，計算結(jié)果的誤差小于1%。在進行全堆芯燃料棒級別的熱工水力分析時，計算效率相對串行程序大為提高。

軸向并行存在以下問題：（1）采用軸向分層的解耦流程進行串行計算時由于迭代次數(shù)增加，導(dǎo)致比原來串行流程時間增加。（2）由于軸向一般最多劃分100層，而每使用核數(shù)不會超過軸向節(jié)塊數(shù)，無法實現(xiàn)更多核的并行。后續(xù)可進一步考慮區(qū)域分解等其他并行方案。

【參考文獻】

[1]蔡大用，白峰杉.《現(xiàn)代科學(xué)計算》科學(xué)出版社.

[2]陳文光，武永衛(wèi)譯.《MPI與OpenMP并行程序設(shè)計》清華大學(xué)出版社.

[3]吳文斌.《基于并行技術(shù)的2D/1D耦合三維全堆輸運方法研究》.

[4]D.S. Rowe， “COBRA IIIC： digital computer program for steady state and transient thermal-hydraulic analysis of rod bundle nuclear fuel elements，” Battelle Pacific Northwest Labs.， Richland， Wash， USA， pp. 2-14（1973）.

[5]J. Shan， B. Zhang， C. Li， et al， “SCWR subchannel code ATHAS development and CANDU-SCWR analysis，” Nuclear Engineering and Design. 239（10）， pp. 1979-1987（2009）.