電子行業有機廢氣處理裝置改造工程實例
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【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，應用于反應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。本文通過開發軸向并行模塊，提高了CORTH在全堆芯子通道分析的效率。
【關鍵詞】子通道;CORTH;全堆芯;并行
中圖分類號： TL33 文獻標識碼： 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態工況下單相流和兩相流，主要用于對反應堆堆芯或帶發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，但計算效率無法滿足需求。本文通過開發軸向并行模塊，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：
?。?）讀入由用戶輸入的界面數據，生成相應的子通道例題;
?。?）根據例題生成相應的物性、滑速比、空泡份額等查詢表;
（3）求解質量、能量和動量守恒方程組，得到堆芯的壓力場、溫場、流場分布;
?。?）根據堆芯參數分布計算堆芯的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
子程序在使用中一般沿冷卻劑流向將堆芯軸向劃分為10-100個軸向層。程序從堆芯入口依次計算每一個軸向層的熱工水力參數，并以上游的參數作為每個軸向層的入口條件。CORTH軟件串行版本中軸向層計算為根據冷卻劑流動方向由下向上順序計算，由于守恒方程組數值解法中采用一階迎風差分，計算每一個軸向層（j層）參數時需要以其上游軸向層（j-1層）的參數作為已知量。軸向層并行首先需進行軸向層的解耦，即消除每輪迭代中計算j層參數對j-1層參數的依賴關系。
軸向并行模塊開發的主要過程為：（1）軸向層并行解耦流程設計;（2）軸向層并行方案設計;（3）并行數據傳遞;（4）軸向層并行代碼實現，包括共享內存（OPENMP）并行開發和MPI并行開發。
2.1 軸向層并行解耦流程設計
CORTH軟件軸向層并行解耦的流程設計的思路為：在每輪（t）迭代中，以迭代上一輪（t-1）的上游軸向層（j-1層）作為已知參數來計算該輪（t）中第j層的參數，由于采用了上一輪迭代的結果，消除了本輪迭代中軸向層參數的耦合關系。
CORTH軟件軸向層并行解耦的流程見圖2，計算中軸向層按從上到下的順序計算，則每一輪迭代中使用的參數都為上一輪的值。
2.2 軸向層并行方案設計
軸向層并行的方案為：
?。?）初始化堆芯所有軸向層比焓h、質量流速G和壓力P;
?。?）并發計算所有的軸向層，得到新的堆芯軸向層比焓h、質量流速G和壓降dp;
?。?）將所有堆芯軸向層的h、G和dp傳輸回主節點，根據dp更新堆芯壓力P;
?。?）以新得到的h、G和P進行新一輪計算，直到收斂。
2.3 并行數據傳遞
在進行并行計算時，需考慮數據的傳遞和聚合，即當并行計算開始時，將各節點所需的數據由主節點傳遞到相應節點;當并行計算完成后，將各節點的計算結果傳遞回主節點進行聚合。由于目前的堆芯參數對采用二維數組的形式定義和存儲（例：h[i][j]為第i個子通道在第j個軸向層的比焓值），將二維數組傳遞到各節點不僅數據傳輸量大，且聚合時存在較大困難（多個相同定義的二維數組的聚合），因此需對實際傳遞入各節點的數據進行重新定義和設計。
根據模型的數值解法，j軸向層計算時只需j層和j-1層的相關數據，因此定義相應的一維數組存儲數據，在并行計算開始時，首先將二維數組數值賦給一維數組，再傳入對應節點;并行計算結束，將不同節點的一維計算結果傳輸回主節點聚合成最終的二維數組結果。
3 程序效率比較
與串行程序比較，并行計算不同子通道數目的時間見下表。
以測試例題為例，不同并行核數下的計算時間為：
4 結論
本文開發了CORTH軟件的軸向并行模塊。通過與參考程序比較，計算結果的誤差小于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增加，導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，而每使用核數不會超過軸向節塊數，無法實現更多核的并行。后續可進一步考慮區域分解等其他并行方案。
【參考文獻】
[1]蔡大用，白峰杉.《現代科學計算》科學出版社.
[2]陳文光，武永衛譯.《MPI與OpenMP并行程序設計》清華大學出版社.
[3]吳文斌.《基于并行技術的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）.
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