CN112231876B - 基于几何模型的管路***流体动力学模型生成***及方法 - Google Patents

基于几何模型的管路***流体动力学模型生成***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于几何模型的管路***流体动力学模型生成***及方法，包括几何文件导入模块，用于获取所导入的管路***的几何文件；组件数据配置模块，用于配置***中各组件模型的模型数据，模型数据至少包括几何属性、材料物性、边界条件、初始值和源项封闭方程；方程***配置模块，用于根据模型数据配置管路***对应的方程***的方程组规模、物性计算函数以及源项的数学关系；数学模型生成模块，用于当方程***中的方程数目与未知变量数据相匹配时，生成管路***流体动力学数学模型。采用本发明，可将管路***快速翻译为可求解的流体动力学数学模型，便于对输入的***进行求解仿真，提高管路***仿真、检查的效率与质量，降低人力冗余工作量。

Description

基于几何模型的管路***流体动力学模型生成***及方法
技术领域
本发明涉及核电厂管路***仿真中流体动力学模型生成技术领域，尤其涉及一种基于几何模型的管路***流体动力学模型生成***及方法。
背景技术
核电厂管路***构成复杂，在生成针对管道***的流体动力学模型时，面临几大难点：1)涉及不同类型的管道以及换热壁面、阀门、泵、稳压器、换热器等组件，各个组件都有对应的边界条件；2)管路***中的流体涉及单相至两相、两相至单相的相变过程，涉及到比较复杂的物理过程，其中计算的实现需要依赖配置的封闭方程***以及流体与管道的材料物理属性；3)管路***的数值仿真十分重要，而在现有的管路***模型构建过程中，通常是手动地对整个管路***进行动力学方面的数学离散，计算求解工作繁复、时间成本高，人工推导转化为对应的数学描述容易出错，往往需要更多时间用于检查离散后的物理量之间的数学关系。
发明内容
本发明实施例提供一种基于几何模型的管路***流体动力学模型生成***及方法，通过过程化和自动化的建模过程，可以将管路***快速翻译为可求解的流体动力学数学模型，便于对输入的管路***进行求解仿真，可以提高管路***仿真、检查的效率与质量，降低人力冗余工作量。
本发明实施例第一方面提供了一种基于几何模型的管路***流体动力学模型生成***，包括：
几何文件导入模块，用于获取所导入的管路***的几何文件；
组件数据配置模块，用于配置管路***中各组件模型的模型数据，模型数据至少包括几何属性、材料物性、边界条件和初始值以及源项封闭方程；
方程***配置模块，用于根据模型数据配置管路***对应的方程***的方程组规模、物性计算函数以及源项的数学关系；
数学模型生成模块，用于当方程***中的方程数目与未知变量数据相匹配时，生成管路***流体动力学数学模型。
本发明实施例第二方面提供了一种基于几何模型的管路***流体动力学模型生成方法，包括：
获取所导入的管路***的几何文件；
配置管路***中各组件模型的模型数据，模型数据至少包括几何属性、材料物性、边界条件和初始值以及源项封闭方程；
根据模型数据配置管路***对应的方程***的方程组规模、物性计算函数以及源项的数学关系；
当方程***中的方程数目与未知变量数据相匹配时，生成管路***流体动力学数学模型。
本发明实施例第三方面提供了一种计算机设备，该设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现上述方面所述的基于几何模型的管路***流体动力学模型生成方法。
本发明实施例第四方面提供了一种计算机存储介质，该计算机存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由处理器加载并执行以实现上述方面所述的基于几何模型的管路***流体动力学模型生成方法。
在本发明实施例中，通过几何文件导入模块、组件数据配置模块、方程***配置模型以及数学模型生成模块对管路***中的各种组件模型的模型数据进行配置、对管路***的方程***进行配置，自动生成描述管路***的可求解的流体动力学数学模型。由于过程的自动化和标准化，实现了快速准确地将管路***翻译为可求解的流体动力学数学模型，便于对输入的管路***进行求解仿真，提高了管路***仿真、检查的效率与质量，降低了人力冗余工作量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于几何模型的管路***流体动力学模型生成***的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的组件数据配置模块的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的方程***配置模块的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种基于几何模型的管路***流体动力学模型生成方法的流程示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种基于几何模型的管路***流体动力学模型生成方法的流程示意图；
图6是本发明实施例提供的一种计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，术语“第一”和“第二”仅是为了区别命名，并不代表数字的大小或者排序。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
实施例1
本发明实施例中，基于几何模型的管路***流体动力学模型生成方法可以应用于计算机设备中，该计算机设备可以是电脑，也可以是其它具备计算处理能力的终端设备。
请参见图1，为本发明实施例提供了一种基于几何模型的管路***流体动力学模型生成***的结构示意图。如图1所示，本发明实施例的流体动力学模型生成***10可以包括：几何文件导入模块101、组件数据配置模块102、方程***配置模块103、数学模型生成模块104和出错提示模块105。其中，组件数据配置模块102如图2所示，包括几何属性配置单元1021、材料物性配置单元1022、基本信息配置单元1023和源项封闭方程配置单元1024，方程***配置模块103如图3所示，包括规模配置单元1031、计算函数引入单元1032、表达式添加单元1033和数学关系式整理单元1034。
几何文件导入模块101，用于获取所导入的管路***的几何文件。
可以理解的是，上述几何文件可以包括管路***中的所有几何信息。
组件数据配置模块102，用于配置管路***中各组件模型的模型数据。
需要说明的是，在核反应堆的管路***中涉及各种复杂的组件模型，组件模型的模型数据至少可以包括模型的几何属性、材料物性、边界条件和初始值以及源项封闭方程。
在一种优选实现方式中，几何属性配置单元1021、材料物性配置单元1022、基本信息配置单元1023和源项封闭方程配置单元1024分别用于配置组件的几何属性、材料物性、边界条件和初始值以及源项封闭方程。
具体实现中，几何属性配置单元1021，用于根据几何文件中的几何离散信息配置管路***中各组件模型的管道水力学直径、离散规模(即***中的网格离散数据)和管道壁面表面粗糙度等几何属性。材料物性配置单元1022，用于配置各组件模型的壁面材料和流体材料，例如，流体-纯水，管道-钢。优选的，***可以根据不同的介质类型自动选择调用的物性计算的接口函数。基本信息配置单元1023，用于配置各组件模型的边界条件和初始值，其中，边界条件可以包括出口边界条件和进口边界条件，出口边界条件包括但不限于出口速度/流量和出口压力，进口边界条件包括但不限于进口速度/流量和进口压力。初始值包括但不限于初始压力、初始气相速度、液相速度、初始气相温度、初始液相温度、空初始泡率。可选的，基本信息配置单元1023还可以配置组件中的热构建，具体包括配置初始壁面温度和壁面材料热物理性质。源项封闭方程配置单元1024，用于配置管路***中管道的源项，可以理解的是，管路***中的源项为***中各组件模型的源项数学关系式，至少可以包括壁面摩擦封闭方程、壁面换热封闭方程、相间摩擦封闭方程、相间传质封闭方程和相间换热封闭方程，可以理解的是，数学关系式采用封闭方程表示。
在一种可选的实现方式中，组件数据配置模块102还可以根据工程实际内置的模型和/或自定义添加的数学表达式配置各组件模型的模型数据。
进一步的，方程***配置模块103，用于根据上述模型数据配置管路***对应的方程***的方程组规模、物性计算函数以及源项的数学关系。优选的，***10可以通过规模配置单元1031、计算函数引入单元1032、表达式添加单元1033和数学关系式整理单元1034对方程***进行配置。
具体实现中，规模配置单元1031，用于根据几何文件中的几何离散信息配置方程***的方程组规模。
计算函数引入单元1032，用于根据几何属性配置单元1021所配置的材料物性在数学描述中引入不同的物性计算函数。
表达式添加单元1033，用于根据边界条件和源项封闭方程添加对应的数学表达式。
数学关系式整理单元1034，用于按照热工水力动力学描述将引入的物性计算函数和添加的数据表达式整理为离散形式的数学关系式。
进一步的，***可以检查方程***中方程组的方程数目与未知变量的个数是否匹配。
数学模型生成模块104，用于当方程***中的方程数目与未知变量数据相匹配时，生成管路***流体动力学数学模型，可以对应输出流体动力学数学方程组可解。反之，出错提示模块105可以输出错误提示信息，用于提示用户所建立的流体动力学方程组是不可解的，建模错误。
在本发明实施例中，通过几何文件导入模块、组件数据配置模块、方程***配置模型以及数学模型生成模块对管路***中的各种组件模型的模型数据进行配置、对管路***的方程***进行配置，自动生成描述管路***的可求解的流体动力学数学模型。由于过程的自动化和标准化，实现了快速准确地将管路***翻译为可求解的流体动力学数学模型，便于对输入的管路***进行求解仿真，提高了管路***仿真、检查的效率与质量，降低了人力冗余工作量。
实施例2
如图4所示，本发明实施例提供了一种基于几何模型的管路***流体动力学模型生成方法的流程，包括以下步骤：
S101，获取所导入的管路***的几何文件。
S102，配置管路***中各组件模型的模型数据。
在可选实施例中，***可以根据所述几何文件中的几何离散信息配置所述管路***中各组件模型的管道水力学直径、离散规模和管道壁面表面粗糙度。配置各组件模型的壁面侧料和流体材料。配置各组件模型的边界条件和初始值，其中，边界条件包括进口边界条件和出口边界条件，初始值至少包括初始压力、初始气相速度、液相速度、初始气相温度、初始液相温度、空初始泡率。配置管路***中管道的源项，其中，源项为各组件模型的源项数学关系式，至少包括壁面摩擦封闭方程、壁面换热封闭方程、相间摩擦封闭方程、相间传质封闭方程和相间换热封闭方程。
S103，根据模型数据配置管路***对应的方程***的方程组规模、物性计算函数以及源项的数学关系。
在可选实施例中，***根据几何文件中的几何离散信息配置所述管路***对应的方程***的方程组规模；根据所配置的材料物性在数学描述中引入不同的物性计算函数；根据边界条件和源项封闭方程添加对应的数学表达式；最后按照热工水力动力学描述将引入的物性计算函数和添加的数据表达式整理为离散形式的数学关系式。
S104，当方程***中的方程数目与未知变量数据相匹配时，生成管路***流体动力学数学模型。
需要说明的是，上述***实施例中各模块和单元的执行过程与本方法实施例中各步骤具有对应关系，不同步骤的执行过程可以参见上述***实施例中的具体描述，此处不再赘述。
在本发明实施例中，通过几何文件导入模块、组件数据配置模块、方程***配置模型以及数学模型生成模块对管路***中的各种组件模型的模型数据进行配置、对管路***的方程***进行配置，自动生成描述管路***的可求解的流体动力学数学模型。由于过程的自动化和标准化，实现了快速准确地将管路***翻译为可求解的流体动力学数学模型，便于对输入的管路***进行求解仿真，提高了管路***仿真、检查的效率与质量，降低了人力冗余工作量。
在一种优选实现方式中，基于几何模型的管路***流体动力学模型生成方法的流程还可以如图5所示：
导入管路***几何文件；
配置各组件的几何属性；
配置各组件的材料物性；
配置各组件的边界条件与初始值；
配置各组件的源项封闭方程；
方程***与求解变量数目匹配检查；
自动生成管路***流体动力学数学模型；
生成错误信息。
可以理解的是，本实施例中描述的各项配置或者方程生成的过程，在上述***或方法实施例中已经进行了详细介绍，此处不再赘述。
在本发明实施例中，通过几何文件导入模块、组件数据配置模块、方程***配置模型以及数学模型生成模块对管路***中的各种组件模型的模型数据进行配置、对管路***的方程***进行配置，自动生成描述管路***的可求解的流体动力学数学模型。由于过程的自动化和标准化，实现了快速准确地将管路***翻译为可求解的流体动力学数学模型，便于对输入的管路***进行求解仿真，提高了管路***仿真、检查的效率与质量，降低了人力冗余工作量。
实施例3
本发明实施例提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质可以存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行如上述图4或图5所示实施例的方法步骤，具体执行过程可以参见图4或图5所示实施例的具体说明，在此不进行赘述。
实施例4
本发明实施例提供了一种计算机设备。如图6所示，计算机设备20可以包括：至少一个处理器201，例如CPU，至少一个网络接口204，用户接口203，存储器205，至少一个通信总线202，可选地，还可以包括显示屏206。其中，通信总线202用于实现这些组件之间的连接通信。其中，用户接口203可以包括触摸屏、键盘或鼠标等等。网络接口204可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)，通过网络接口204可以与服务器建立通信连接。存储器205可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器，存储器205包括本发明实施例中的flash。存储器205可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器201的存储***。如图6所示，作为一种计算机存储介质的存储器205中可以包括操作***、网络通信模块、用户接口模块以及程序指令。
需要说明的是，网络接口204可以连接接收器、发射器或其他通信模块，其他通信模块可以包括但不限于WiFi模块、蓝牙模块等，可以理解，本发明实施例中计算机设备也可以包括接收器、发射器和其他通信模块等。
处理器201可以用于调用存储器205中存储的程序指令，并使计算机设备20执行以下操作：
获取所导入的管路***的几何文件；
配置管路***中各组件模型的模型数据，模型数据至少包括几何属性、材料物性、边界条件和初始值以及源项封闭方程；
根据模型数据配置管路***对应的方程***的方程组规模、物性计算函数以及源项的数学关系；
当方程***中的方程数目与未知变量数据相匹配时，生成管路***流体动力学数学模型。
在一些实施例中，设备20在配置管路***中各组件模型的模型数据时，具体用于：
根据几何文件中的几何离散信息配置管路***中各组件模型的管道水力学直径、离散规模和管道壁面表面粗糙度；
配置各组件模型的壁面侧料和流体材料；
配置各组件模型的边界条件和初始值，其中，边界条件包括进口边界条件和出口边界条件，初始值至少包括初始压力、初始气相速度、液相速度、初始气相温度、初始液相温度、空初始泡率；
配置管路***中管道的源项，源项为各组件模型的源项数学关系式，至少包括壁面摩擦封闭方程、壁面换热封闭方程、相间摩擦封闭方程、相间传质封闭方程和相间换热封闭方程。
在一些实施例中，设备20在根据模型数据配置管路***对应的方程***的方程组规模、物性计算函数以及源项的数学关系时，具体用于：
根据几何文件中的几何离散信息配置管路***对应的方程***的方程组规模；
根据所配置的材料物性在数学描述中引入不同的物性计算函数；
根据边界条件和源项封闭方程添加对应的数学表达式；
按照热工水力动力学描述将引入的物性计算函数和添加的数据表达式整理为离散形式的数学关系式。
在一些实施例中，设备20还用于根据工程实际内置的模型和/或自定义添加的数学表达式配置各组件模型的模型数据。
在一些实施例中，设备20还用于当***方程中的方程数目与未知变量数据不匹配时，输出错误提示信息。
在本发明实施例中，通过几何文件导入模块、组件数据配置模块、方程***配置模型以及数学模型生成模块对管路***中的各种组件模型的模型数据进行配置、对管路***的方程***进行配置，自动生成描述管路***的可求解的流体动力学数学模型。由于过程的自动化和标准化，实现了快速准确地将管路***翻译为可求解的流体动力学数学模型，便于对输入的管路***进行求解仿真，提高了管路***仿真、检查的效率与质量，降低了人力冗余工作量。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种基于几何模型的管路***流体动力学模型生成***，其特征在于，包括：
几何文件导入模块，用于获取所导入的管路***的几何文件；
组件数据配置模块，用于配置所述管路***中各组件模型的模型数据，所述模型数据至少包括几何属性、材料物性、边界条件和初始值以及源项封闭方程；
方程***配置模块，用于根据所述模型数据配置所述管路***对应的方程***的方程组规模、物性计算函数以及源项的数学关系；
数学模型生成模块，用于当所述方程***中的方程数目与未知变量数据相匹配时，生成管路***流体动力学数学模型；
其中，所述组件数据配置模块包括：
几何属性配置单元，用于根据所述几何文件中的几何离散信息配置所述管路***中各组件模型的管道水力学直径、离散规模和管道壁面表面粗糙度；
材料物性配置单元，用于配置各组件模型的壁面侧料和流体材料；
基本信息配置单元，用于配置各组件模型的边界条件和初始值，其中，边界条件包括进口边界条件和出口边界条件，初始值至少包括初始压力、初始气相速度、液相速度、初始气相温度、初始液相温度、空初始泡率；
源项封闭方程配置单元，用于配置所述管路***中管道的源项，所述源项为各组件模型的源项数学关系式，至少包括壁面摩擦封闭方程、壁面换热封闭方程、相间摩擦封闭方程、相间传质封闭方程和相间换热封闭方程。
2.根据权利要求1所述的基于几何模型的管路***流体动力学模型生成***，其特征在于，所述方程***配置模块包括：
规模配置单元，用于根据所述几何文件中的几何离散信息配置所述管路***对应的方程***的方程组规模；
计算函数引入单元，用于根据所配置的材料物性在数学描述中引入不同的物性计算函数；
表达式添加单元，用于根据所述边界条件和所述源项封闭方程添加对应的数学表达式；
数学关系式整理单元，用于按照热工水力动力学描述将引入的物性计算函数和添加的数据表达式整理为离散形式的数学关系式。
3.根据权利要求1所述的基于几何模型的管路***流体动力学模型生成***，其特征在于，
所述组件数据配置模块，具体用于根据工程实际内置的模型和/或自定义添加的数学表达式配置各组件模型的模型数据。
4.根据权利要求1所述的基于几何模型的管路***流体动力学模型生成***，其特征在于，所述基于几何模型的管路***流体动力学模型生成***还包括：
出错提示模块，用于当所述方程***中的方程数目与未知变量数据不匹配时，输出错误提示信息。
5.一种基于几何模型的管路***流体动力学模型生成方法，其特征在于，包括：
获取所导入的管路***的几何文件；
配置所述管路***中各组件模型的模型数据，所述模型数据至少包括几何属性、材料物性、边界条件和初始值以及源项封闭方程；
根据所述模型数据配置所述管路***对应的方程***的方程组规模、物性计算函数以及源项的数学关系；
当所述方程***中的方程数目与未知变量数据相匹配时，生成管路***流体动力学数学模型；
其中，所述配置所述管路***中各组件模型的模型数据，包括：
根据所述几何文件中的几何离散信息配置所述管路***中各组件模型的管道水力学直径、离散规模和管道壁面表面粗糙度；
配置各组件模型的壁面侧料和流体材料；
配置各组件模型的边界条件和初始值，其中，边界条件包括进口边界条件和出口边界条件，初始值至少包括初始压力、初始气相速度、液相速度、初始气相温度、初始液相温度、空初始泡率；
配置所述管路***中管道的源项，所述源项为各组件模型的源项数学关系式，至少包括壁面摩擦封闭方程、壁面换热封闭方程、相间摩擦封闭方程、相间传质封闭方程和相间换热封闭方程。
6.根据权利要求5所述的基于几何模型的管路***流体动力学模型生成方法，其特征在于，所述根据所述模型数据配置所述管路***对应的方程***的方程组规模、物性计算函数以及源项的数学关系，包括：
根据所述几何文件中的几何离散信息配置所述管路***对应的方程***的方程组规模；
根据所配置的材料物性在数学描述中引入不同的物性计算函数；
根据所述边界条件和所述源项封闭方程添加对应的数学表达式；
按照热工水力动力学描述将引入的物性计算函数和添加的数据表达式整理为离散形式的数学关系式。
7.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现如权利要求5至6任一项所述的基于几何模型的管路***流体动力学模型生成方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由处理器加载并执行以实现如权利要求5至6任一项所述的基于几何模型的管路***流体动力学模型生成方法。
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