NECP-X的多重并行策略及效率优化

特征线方法在应用于全堆芯三维输运计算时面临着计算时间长、内存需求量大的问题,而大规模并行是最有效的解决办法。我国超级计算机的快速发展使大规模并行计算逐渐成为可能,而如何发展相应的并行算法成为当务之急。本文基于数值反应堆物理计算程序NECP-X研究特征线方法的空间、角度和特征线多重并行策略。为实现高效并行,空间并行采用了区域分解的并行方式;为充分考虑角度并行的负载平衡,采用了"贪婪算法"角度区域分解算法;为节省内存和提高效率,应用并分析了共享式内存并行模式下动态调度的特征线并行方案。数值结果表明,NECP-X中的空间、角度和特征线并行效率较高,可充分利用并行资源,实现大规模并行。     

NECP-X中角度与特征线并行的研究与实现

特征线方法在应用于全堆芯三维输运计算时面临着计算时间长、内存需求量大的问题,而大规模并行是最有效的解决办法。传统的并行策略是进行空间的区域分解,但当问题的几何规模较小时,其并行度有限,无法充分利用并行资源。本文在高保真物理计算程序NECP-X空间区域分解的基础上研究了角度和特征线的三重并行计算。为实现角度并行的负载平衡,采用了考虑权重的贪婪算法角度并行策略;为节省内存,在共享内存的并行模式下采用动态调度的分配方案实现特征线并行。数值结果表明,NECP-X中的角度和特征线并行效率较高,可在空间区域分解并行的基础上进一步扩大并行规模,提高计算速度。     

基于CPU-GPU异构并行的MOC中子输运计算并行效率优化研究

CPU-GPU异构系统为加速全堆芯特征线方法(MOC)精细计算提供了方法和思路。在实现基于CPU-GPU异构系统的二维MOC异构并行算法基础上,提出了性能分析模型,识别了影响异构并行算法并行效率的主要因素;针对识别到的性能影响因素,实现了输运计算与数据传递相互掩盖,提升了异构并行算法的整体并行效率。数值结果表明:程序具备良好的计算精度;数据传递(MPI通信和CPU与GPU之间的数据拷贝)是影响异构并行算法并行效率的主要因素;实现输运计算与数据传递相互掩盖后,程序性能和强并行效率均有所提升;5异构节点(包含20块GPU)并行时,程序整体效率提升达8%,强并行效率从87%提升到95%;相比CPU节点并行计算,4个CPU-GPU异构节点整体性能优于20个CPU节点。     

基于CPU-GPU异构并行的MOC中子输运计算并行效率优化研究

CPU-GPU异构系统为加速全堆芯特征线方法（MOC）精细计算提供了方法和思路。在实现基于CPU-GPU异构系统的二维MOC异构并行算法基础上,提出了性能分析模型,识别了影响异构并行算法并行效率的主要因素;针对识别到的性能影响因素,实现了输运计算与数据传递相互掩盖,提升了异构并行算法的整体并行效率。数值结果表明：程序具备良好的计算精度;数据传递（MPI通信和CPU与GPU之间的数据拷贝）是影响异构并行算法并行效率的主要因素;实现输运计算与数据传递相互掩盖后,程序性能和强并行效率均有所提升;5异构节点（包含20块GPU）并行时,程序整体效率提升达8%,强并行效率从87%提升到95%;相比CPU节点并行计算,4个CPU-GPU异构节点整体性能优于20个CPU节点。     

确定论数值反应堆程序NECP-X的开发及应用

数值反应堆是基于大规模并行计算平台,利用先进的物理模型和数值模拟算法,采用精细化建模,从而精确模拟反应堆在正常运行与事故工况中发生的各类物理现象的模拟技术。西安交通大学NECP团队基于自研的多群和连续能量数据库,提出了全局 局部耦合输运计算方法、大规模并行的2D/1D耦合输运方法等,开发了基于确定论方法的数值反应堆物理程序NECP X,并在此基础上实现了物理 热工 燃料性能分析的多物理耦合模拟计算。基于该程序及其耦合系统,在商用大型压水堆、研究堆和实验堆中进行了验证应用。数值结果表明,NECP X程序及其耦合系统可准确预测反应堆在运行过程中的关键安全参数随时间的演变情况,如有效增殖因数、功率、温度、应力、间隙宽度等,可为商用大型压水堆、研究堆和研究堆的设计及安全分析提供可靠的工具。     

NECP-X程序中基于全局-局部耦合策略的非棒状几何燃料共振计算方法研究

基于NECP-X程序中已经研发的全局-局部耦合共振计算方法,研究了针对非棒状几何燃料的共振计算方法。首先,采用中子流方法计算真实问题的丹可夫修正因子,以处理全局的空间效应;其次,基于丹可夫修正因子等效获得小规模问题周围慢化剂的几何信息;最后,对于小规模问题燃料区的有效自屏截面的计算采用共振伪核素子群方法。将该方法应用于非棒状几何燃料数值计算,结果表明,该方法在处理非棒状几何燃料栅元的共振计算时,与蒙特卡罗结果程序相比,微观吸收截面偏差不超过1.8%,无限介质增殖因数偏差不超过110 pcm(1 pcm=10^-5),具有较高的计算精度;在大规模问题的计算中,基于板状燃料的JRR-3M实验堆全堆在整个燃耗过程有效增殖因数偏差均在300pcm左右,组件功率偏差在整个燃耗过程不超过0.62%。因此,本研究提出的共振计算方法具有较高的正确率和精度。     

模拟退火算法搜索优化布料方案的机理及效率

利用自行构造的已枚举所有布料方案并完成方案评价的压水堆布料优化基准问题,对应用较为普遍的以组件随机两两交换方式进行解域搜索的模拟退火算法进行了研究,揭示了算法的物理机理,并首次定量给出了算法的搜索效率.研究还表明,用组件十字平均k∞分布的约束来过滤非可行解十分有效,结合模拟退火算法使用可获得很高的搜索效率.     

基于NECP-X程序的三维复杂几何小型压水堆全堆芯一步法计算

鉴于数值反应堆物理计算程序NECP-X采用传统的自定义几何处理方法难以处理复杂堆型、六角形排布等堆芯,而构造实体几何(CSG)方法具有处理复杂几何、内存小、通用且易于拓展等优势。本文将CSG应用于NECP-X,拓展了NECP-X的几何建模能力,并应用于其共振、输运计算中。该方法通过曲面的布尔运算实现几何实体的建模;通过给定有限个参数实现自动网格划分功能;并在此基础上计算特征线信息。数值结果表明,对于各种不同的堆芯几何均可以通过CSG实现精细描述和一步法物理计算;计算结果与蒙特卡洛程序结果相比精度较高。     

基于NECP-X的全局-局部耦合共振自屏计算方法研究

为应对高保真共振自屏计算所遇到的挑战,提出了全局-局部耦合共振自屏计算方法。将所有共振自屏效应及相关效应分为全局的效应和局部的效应2类,其中全局的效应较弱或者与能量无关,而局部的效应较为强烈。因此将共振自屏计算分为全局计算、耦合计算和局部计算3个步骤:全局计算建立粗糙模型,采用中子流方法计算丹可夫修正因子,处理全局的效应;耦合计算根据丹可夫修正因子守恒将待求解问题中的燃料棒等效成一维模型;局部计算采用较为精确的共振伪核素子群方法,处理局部的效应。基于NECP-X实现了该方法,数值结果表明,该方法在效率方面比传统方法提高至少一个量级,无限介质增殖因数的计算精度也提高了100~300 pcm。     

RMC程序敏感性分析功能的并行策略与验证

针对堆用蒙特卡罗程序(RMC)中的有效增殖系数(keff)敏感性分析功能,为提高计算效率并降低内存占用,在RMC中实现了分别基于下一代裂变中子数以及中子产生率的伴随注量率估计方法的2种并行策略,并使用无限均匀介质多群算例和连续能量算例对该功能进行验证。结果表明,2种并行策略所求得的敏感性系数均与解析解、蒙特卡罗粒子输运程序(MCNP6)的计算结果吻合良好,计算速度为MCNP6的3倍左右,统计不同核素的总截面敏感性系数的品质因子为MCNP6的4~8倍左右。     

一种全堆芯精确到每个通道的子通道并行模拟方法

为实现全堆芯精确到每个通道的并行子通道模拟,本文提出一种基于子通道的并行任务划分和进程映射方法,可对全堆芯或单个组件进行计算任务划分,计算任务和进程的映射可灵活进行。该方法可根据计算机（群）的核数确定恰当的全堆芯子通道的任务划分方式,从而使全堆芯热工水力模拟可在单机、小型集群到超级计算机等不同环境运行。在天河二号超级计算机上进行全堆芯157组件、精确到每个真实流道、轴向划分为125层的稳态模拟,可使用4～6 280核实现。使用4核时需约22 h,使用6 280核时需470 s。引入混合编程实现方式后,使用6 280核完成模拟需397 s。     

轴向非均匀加热对并联通道流动不稳定性的影响

基于均相流模型建立并联通道系统的控制方程,采用交错网格技术和半隐式差分离散控制方程,并使用追赶法求解来模拟并联通道的两相流动特征。采用轴向余弦功率加热模拟轴向非均匀功率加热。运用小扰动法,获得了不同压力、入口过冷度和轴向功率加热方式下的稳定性边界（MSB）和三维不稳定性空间。对于余弦和均匀功率加热,系统稳定性均随系统压力的增大而增强。余弦功率加热在高过冷度区降低并联通道系统稳定性,而在低过冷度区增强系统稳定性。随进口阻力系数的增加,处于余弦功率加热的并联通道系统稳定性增强,MSB的拐点逐渐向高过冷度区移动。     

并联六自由度主动减振平台解耦控制策略研究

并联六自由度主动减振平台可有效隔离外界低频微振动对加速器BPM及光束线站等精密设备的影响,由于并联六自由度主动减振平台具有很强的耦合特性,需对平台的耦合特性进行分析研究。本文以压电陶瓷驱动器构建并联六自由度主动减振平台,在平台运动学的基础上,采用Newton-Euler法建立了平台的动力学模型。分析了平台各通道间的耦合特性,设计了一种通用的平台解耦控制策略。搭建了实验验证平台,开展次级通道参数测量与减振实验研究。实验结果表明,设计的多通道解耦控制策略是有效的,平台对低频微振动有良好的减振效果。     

基于多层流模型和故障树的可靠性分析方法研究

多层流模型(MFM)和故障树以不同的形式描述系统知识,在相同的系统边界条件和假设下,两者表达的系统可靠性逻辑是等效的。本文工作以此为基础,结合MFM的特点,提出了MFM转换为故障树的方法,为快速建立故障树提供了一种途径,实现了基于MFM的可靠性定性分析,并以压水堆核电厂的安全注入系统为例建立了系统的MFM,定性地分析了系统的可靠性。分析结果表明,MFM转换为故障树的逻辑是正确的,且MFM易于理解、建立和修改,相对于传统建故障树的方法,大幅减少了分析人员的工作量,节省了建模时间。     

核动力装置混合智能故障诊断系统研究

针对核动力装置的状态监测与故障诊断问题,为克服单一故障诊断方法的局限性,本文提出了基于多层流模型(MFM)和信息融合理论的混合智能故障诊断方法。利用信息融合的方法来提高故障诊断的快速性和准确性,同时利用MFM方法解释故障发生时报警的传播路径,提高对诊断结果的可理解性。仿真实验表明,混合智能诊断方法能迅速判明故障并提交报警分析。     

数值堆材料辐照损伤并行动力学蒙特卡罗软件MISA-AKMC的设计与实现

材料辐照损伤模拟是数值堆软件的重要内容。原子动力学蒙特卡罗（AKMC）方法是研究核材料辐照行为的重要手段,可在保持原子级别精度下,有效地扩展模拟的时间尺度到秒甚至年量级。但在面向实际应用需求时,其仍面临内存限制和复杂的计算量等挑战。通过并行计算技术提升计算效率是解决这一挑战的有效手段。本文论述一款并行AKMC程序MISA-AKMC的设计原理与实现技术。MISA-AKMC实现了一种并行KMC模拟框架,重点包括sub-lattice并行算法的实现、加速优化方法、转发通信方法、KMC模型接口等。基于该框架,开发了空位-间隙的演化模型,可实现热老化模拟和析出模拟。通过并行性能测试获得了良好的并行性能,结合算例结果验证说明了MISA-AKMC的正确性和可靠性。     

倾斜条件下并联矩形通道流动不稳定性实验研究

以截面尺寸为50 mm×2 mm的矩形并联双通道为实验本体,开展了倾斜条件下密度波流动不稳定性实验研究。主要参数范围为：压力,3～8 MPa;质量流速,300～800 kg/(m²•s);入口温度,180～270 ℃;倾斜角度,0°～30°。通过分析实验结果,得到了系统压力、质量流速、入口过冷度以及倾斜角度对流动不稳定性界限参数的影响规律,基于过冷度数N_sub和相变数N_pch绘制了流动不稳定边界,并通过实验数据拟合了包含Froud数和Δρ/Δρ_g的不稳定边界准则关系式。研究发现,在实验工况范围内,倾斜条件对密度波流动不稳定性无明显影响。     

基于RELAP5的两管平行通道流动不稳定性研究

利用RELAP5程序对垂直并联管中汽液两相流不稳定性实验装置进行了模拟,并与实验工况进行比较,结果表明：RELAP5程序的非平衡态两流体模型的计算结果与实验数据符合较好。并在此基础上研究了主要运行参数对两管平行通道管间脉动流动不稳定性的影响。结果表明：入口欠热度对管间脉动的影响并非线性关系;系统压力的增加可提高系统的稳定性并减小管间脉动的振幅;进口节流增加,系统的稳定性明显提高;入口不均匀节流时两管总的极限热负荷升高;不均匀加热时两管总的极限热负荷降低。     

一种核主泵水力模型高效低轴向载荷优化改型策略

针对当前多数研究中仅改善反应堆冷却剂泵（核主泵）性能特性而缺乏考虑载荷特性的不足,在一种新的叶轮轴面流道设计方法基础上,联合应用径向基神经网络和多目标遗传算法,构建了以高性能、低轴向载荷为目标的优化策略。为了验证优化策略的可行性,以前期设计的核主泵缩尺模型为对象进行了改型设计。结果表明:新的优化策略仅需要3个变量控制、15组采样数据,便可成功实现对核主泵的优化改型;优化结果在设计工况点效率较目标叶轮提高了0.9%,扬程提高了0.6 m,轴向载荷降低了约200 N;代理模型预测结果定量证明优化设计中扬程的增加容易引发轴向载荷的提升。