當(dāng)前國際上的主要核能強(qiáng)國都在開展第三代堆芯物理數(shù)值計(jì)算方法的研究工作,這些研究的目標(biāo)都是要替代當(dāng)前的輸運(yùn)加擴(kuò)散的堆芯物理計(jì)算模式:或在Pin尺度上作“類”輸運(yùn)計(jì)算,或是直接作全堆芯非均勻輸運(yùn)計(jì)算。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的不斷完善和發(fā)展,實(shí)施全堆芯三維輸運(yùn)計(jì)算變得可能。但是隨著堆芯設(shè)計(jì)和布置越來越復(fù)雜,中子輸運(yùn)計(jì)算效率和精度都還有廣闊的領(lǐng)域值得研究。本文在充分研究二維矩陣特征線方法加速技術(shù)的基礎(chǔ)上,借鑒2D/1D耦合計(jì)算模式,研制了高效的全堆芯三維輸運(yùn)計(jì)算程序,具體研究工作如下:首先,將傳統(tǒng)特征線方法中的步特征線格式、菱形差分格式和線性源近似應(yīng)用到矩陣特征線方法中,研究并比較了它們?cè)谟?jì)算精度和計(jì)算效率上的差異,結(jié)果顯示步特征線格式的矩陣特征線方法在滿足計(jì)算精度的條件下具有最高的計(jì)算效率。制約特征線方法計(jì)算范圍的因素只有其幾何處理模塊,因此本文基于CSG理論開發(fā)了具備任意形狀幾何處理能力的幾何前處理程序,并采用OpenMP并行機(jī)制實(shí)現(xiàn)了射線追蹤過程的并行化。為了給用戶提供判斷幾何處理與輸運(yùn)計(jì)算是否正確的依據(jù),本文基于掃描線填充的像素可視化技術(shù),研制了幾何前處理和輸運(yùn)計(jì)算結(jié)果的可視化程序。二維HTTR問題和C5G7基準(zhǔn)題的計(jì)算結(jié)果表明,本文開發(fā)的矩陣MOC程序具有較高的計(jì)算精度,達(dá)到了國際上其他同類型程序的水平。然后,在滿足計(jì)算精度的前提下,本文還從多個(gè)方面來改善程序的計(jì)算效率。(1)針對(duì)稀疏線性系統(tǒng)求解器中GMRES(m)算法求解效率低的問題,研究了多種預(yù)條件處理技術(shù),這些技術(shù)分別是基于經(jīng)典迭代方法的預(yù)條件技術(shù)、增廣子空間技術(shù)和ILU分解預(yù)條件技術(shù),明確了Jacobi預(yù)條件技術(shù)的物理意義。(2)矩陣特征線方法處理大規(guī)模堆芯所遇到的困難主要來源于長特征線,因此本文提出了長特征線分解處理技術(shù),該技術(shù)不會(huì)引入任何近似和假設(shè),在理論上是與傳統(tǒng)矩陣特征線方法完全等價(jià)的,但是卻能顯著降低程序?qū)?nèi)存的需求并減少計(jì)算耗時(shí),同時(shí)使得求解時(shí)間和內(nèi)存消耗與問題規(guī)模呈理想的線性關(guān)系,矩陣特征線方法得以擁有良好計(jì)算擴(kuò)展能力。(3)得益于GPU技術(shù)的快速發(fā)展,本文基于CUDA編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了矩陣特征線方法中稀疏線性系統(tǒng)的大規(guī)模并行化求解。針對(duì)矩陣特征線方法中系數(shù)矩陣的特殊性,在合并訪存和共享內(nèi)存的基礎(chǔ)上提出了兩種并行優(yōu)化方案。二維HTTR問題和C5G7基準(zhǔn)題的計(jì)算結(jié)果表明,最優(yōu)的并行方案能達(dá)到5倍以上的加速比。最后,在高效的二維矩陣特征線方法求解器的基礎(chǔ)上,借鑒2D/1D耦合框架開發(fā)了三維非均勻中子輸運(yùn)計(jì)算程序,實(shí)現(xiàn)了全堆芯三維非均勻輸運(yùn)計(jì)算。在該框架下,軸向求解器采用離散縱標(biāo)方法(Sn),徑向和軸向泄漏項(xiàng)均采取各向同性近似。在三維CMFD加速技術(shù)的配合下,本文開發(fā)的三維中子輸運(yùn)程序具備較高的計(jì)算效率。最后采用三維C5G7問題和擴(kuò)展后的三維C5G7問題對(duì)程序進(jìn)行了數(shù)值驗(yàn)證,計(jì)算結(jié)果表明,本文開發(fā)的程序已基本具備實(shí)現(xiàn)全堆三維非均勻輸運(yùn)計(jì)算的能力。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TL329
【部分圖文】：

圖 2.2 典型堆芯幾何的 CSG 分層結(jié)構(gòu)Fig. 2.2 Hierarchical CSG structure for typical core采用如圖 2.2 所示的自下而上的分層結(jié)構(gòu)建立整個(gè)計(jì)算區(qū)域幾何模型，同時(shí)規(guī)每層平源區(qū)域的起始編號(hào)，特征線追蹤時(shí)按照自上而下的方式逐層鎖定當(dāng)前平源區(qū)

前行的方式進(jìn)行，在已知特征線段起個(gè)層次中搜索最近的前方交點(diǎn)，在該為下一個(gè)特征線段的起點(diǎn)，然后再逐結(jié)合各層次的平源編號(hào)初值獲得特征號(hào)）。按照以上步驟逐點(diǎn)取得每個(gè)特外。要覆蓋整個(gè)計(jì)算區(qū)域，對(duì)于大規(guī)模問蹤會(huì)變得極為耗時(shí)。但注意到各條特，因此可以采用并行程序設(shè)計(jì)思想對(duì)P 并行編程模型對(duì)其實(shí)現(xiàn)并行化，圖線追蹤的耗時(shí)和內(nèi)存消耗，只需要對(duì)位角位于[π，2π]內(nèi)的特征線采用相，將所有特征線信息保存為二進(jìn)制文

a. 數(shù)據(jù)可視化流程圖 b. 輸運(yùn)計(jì)算流程圖圖 2.5 數(shù)據(jù)可視化和輸運(yùn)計(jì)算流程圖Fig. 2.5 Flow charts of visualization and transport calculation.4 基準(zhǔn)題驗(yàn)證
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本文編號(hào)：2873877