一种任意形状球床局部堆积因子模拟计算方法和装置

技术领域

本发明属于聚变反应堆计算分析技术领域、聚变堆包层球床模拟技术领域等，具体涉及一种任意形状球床局部堆积因子模拟计算方法和装置。

背景技术

在聚变堆固态产氚包层中，主要通过中子与氚增殖剂球床中的锂反应实现氚的增殖，通过在包层中增加中子倍增剂球床实现氚增殖率的提升，通过载带气体吹扫实现球床内氚的净化提取。获得准确可靠的氚增殖剂球床堆积结构对固态产氚包层的设计和氚增殖性能优化至关重要，而堆积因子是描述球床堆积结构的重要参数，对聚变堆包层的中子学分析和包层的氚增殖率至关重要。

目前，通常采用离散元方法或蒙特卡洛方法模拟球床颗粒的随机堆积，进一步获取球床颗粒数据。传统球床堆积结构分析采用平均堆积因子或径向堆积因子，针对的都是规则形状的球床结构，如方形球床、圆柱形球床和圆环形球床。在计算径向堆积因子时都需要多次数值曲面积分。随着球床颗粒数量的增加，模拟所需的计算资源和所耗时间急剧增大；且数值曲面积分法无法处理非规则形状球床的堆积因子分析。因此，很有必要开发一种简单高效地模拟计算任意非规则球床内的局部堆积因子及其分布的技术。

发明内容

为了解决现有技术复杂，耗费计算资源和时间，且无法进行非规则形状球床的堆积因子分析，本发明提供了一种任意形状球床局部堆积因子模拟计算方法和装置。

本发明通过下述技术方案实现：

一种任意形状球床局部堆积因子模拟计算方法，包括：

获取球床堆积结构模型数据；

根据获取的数据设定参数和边界条件：包括计算区域边界、分布平面和方向、网格大小；

根据设定的参数和边界条件，对分布平面进行网格化划分，获得网格点坐标数据；

根据网格点坐标数据以及设定的参数和边界条件，遍历计算并保存每个网格点的局部线平均堆积因子，直到获得所有网格点的局部线平均堆积因子；

根据所有网格点的局部线平均堆积因子，计算得到球床的局部堆积因子分布数据。

相较于现有基于数值曲面积分法进行球床堆积因子分析，其会随着球床颗粒数量的增加，模拟所需的计算资源和所耗费时间急剧增大；且数值曲面积分法无法处理非规则形状球床的堆积因子分析。本发明提出的模拟计算方法直接基于网格化的分布平面的网格点坐标数据，计算得到每个网格点的局部线平均堆积因子，从而可根据所有网格点的局部线平均堆积因子进一步分析得到球床的平均堆积因子、径向或轴向堆积因子、以及局部堆积因子分布数据等。该方法计算简便，便于实现，不会随着颗粒的增加而大幅增大计算量，无需曲面积分，可以计算任意形状球床的局部堆积因子，可以计算任意凸形颗粒堆积球床的局部堆积因子分布。

作为优选实施方式，本发明的方法还包括：

根据所有网格点的局部线平均堆积因子，计算得到球床的平均堆积因子、径向堆积因子或轴向堆积因子。

作为优选实施方式，本发明的方法获取的球床堆积结构模型数据包括颗粒坐标和半径、球床形状和球床壁面边界。

作为优选实施方式，本发明的方法设定的参数和边界条件具体包括：球床容器分别沿x轴和y轴的最大值与最小值，球床容器沿z轴的最大值和最小值；

设定的分布平面垂直于z轴，分布平面网格大小为0.1d～0.25d，其中，d为颗粒直径。

作为优选实施方式，本发明的方法利用下式计算得到网格点的局部线平均堆积因子：

式中，h(x,y,z

作为优选实施方式，本发明的颗粒i与切割线相交后的相交线且在[z

当z

当z

当z

当z

当z

式中，r

作为优选实施方式，本发明的球床的形状和分布平面的形状为任意形状；

所述球床的颗粒可以是任意凸形曲面或多面体颗粒，即颗粒与切割线相交最多只有两个交点的颗粒。

另一方面，本发明还提出了一种任意形状球床局部堆积因子模拟计算装置，该装置包括：

数据获取单元，用于获取球床堆积结构模型数据；

参数和边界条件设定单元，根据获取的数据设定参数和边界条件：包括计算区域边界、分布平面和方向、网格大小；

网格划分单元，根据设定的参数和边界条件，对分布平面进行网格化划分，得到网格点坐标数据；

遍历计算单元，根据网格点坐标以及设定的参数和边界条件，遍历计算每个网格点的局部线平均堆积因子，直到获得所有网格点的局部线平均堆积因子；

存储单元，用于存储所有网格点的局部线平均堆积因子；

以及分析单元，根据所有网格点的局部线平均堆积因子，计算得到球床的局部堆积因子分布数据。

作为优选实施方式，本发明的遍历计算单元利用下式计算得到网格点的局部线平均堆积因子：

式中，h(x,y,z

作为优选实施方式，本发明的颗粒i与切割线相交后的相交线且在[z

当z

当z

当z

当z

当z

式中，r

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明可以计算任意形状球床的局部堆积因子，且计算方法简便；

2、本发明不局限于球形颗粒，可以计算任意凸形颗粒堆积球床的局部堆积因子分布；

3、本发明避免了曲面积分，不会随着颗粒的增多大幅增大计算资源，可以处理包含大量凸形颗粒的任意形状球床体系。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例提出的方法流程示意图；

图2为本发明实施例提出的装置原理框图；

图3为本发明实施例的圆柱形球床模型示意图；

图4为本发明实施例的圆柱形球床的分布面网格示意图；

图5为本发明实施例的网格点的切割线与球床颗粒相交示意图；

图6为本发明实施例的圆柱形球床的径向堆积因子分布图；

图7为本发明实施例的圆柱形球床的局部堆积因子分布图；

图8为本发明实施例的U形球床模型示意图；

图9为本发明实施例的U形球床的局部堆积因子分布图。

附图标记及对应的零部件名称：

1-网格点，2-颗粒，3-球床壁面边界，4-颗粒直径，5-z轴上边界，6-z轴下边界，7-颗粒与切割线相交后的相交线，8-切割线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

现有技术主要采用离散元方法或蒙特卡洛方法模拟球床颗粒的随机堆积，进一步获取颗粒数据，之后通过多次数值曲面积分法来计算径向堆积因子或局部堆积因子；然而该技术会随着球床颗粒数量的增加，模拟所需的计算资源和所耗费的时间急剧增大，且数值曲面积分法无法处理非规则形状球床的堆积因子分析。基于此，本实施例提出了一种任意形状球床局部堆积因子模拟计算方法，本发明通过获取球床数据，得到球床堆积结构模型数据；根据得到的球床堆积结构模型数据以及期望的堆积因子分布方向设定计算边界，根据设定的计算边界对分布平面进行网格化划分，得到网格点坐标，根据网格点坐标和设定的计算边界，遍历计算得到分布平面上所有网格点的局部线平均堆积因子，根据分布平面上所有网格点的局部线平均堆积因子计算球床平均堆积因子、径向或轴向堆积因子、局部堆积因子分布数据。本实施例提出的方法可以计算任意形状球床的局部堆积因子，不局限于球形颗粒，可以计算任意凸形颗粒堆积球床的局部堆积因子分布，同时本实施例提出的方法避免了曲面积分，计算方法简单，可以处理包含大量凸形颗粒的任意形状球床体系。

具体如图1所示，本实施例提出的方法包括如下步骤：

步骤1，获取球床堆积结构模型数据；

步骤2，根据获取的数据设定参数和边界条件：包括计算区域边界、分布平面和方向、网格大小；

步骤3，根据设定的参数和边界条件，对分布平面进行网格化划分，获得网格点坐标；

步骤4，根据网格点坐标以及设定的参数和边界条件，遍历计算并保存每个网格点的局部线平均堆积因子，直到获得所有网格点的局部线平均堆积因子；

步骤5，根据所有网格点的局部线平均堆积因子，计算球床的平均堆积因子、径向或轴向堆积因子、局部堆积因子分布数据。

一种可选实施方式，步骤1获取的球床堆积结构模型数据，包括颗粒坐标和半径，球床形状和球床壁面边界。

一种可选实施方式，步骤2设定的参数和边界条件包括：球床容器分别沿x轴和y轴的最大值与最小值，球床容器沿z轴下边界(即z坐标最小值z

一种可选实施方式，根据网格点1的坐标，遍历计算每个网格点的局部线平均堆积因子，具体包括：

设(x,y)为任一网格点1的坐标，则可利用下式计算得到该网格点的局部线平均堆积因子，即：

式中，h(x,y,z

其中，根据颗粒位置(x

当z

当z

当z

当z

当z

式中，r

一种可选实施方式，平均堆积因子通过下式计算得到：

式中，n为球床内的局部线平均堆积因子个数，γ

圆柱形球床的径向堆积因子通过下式计算得到：

式中，L

轴向堆积因子通过下式计算得到：

式中，L

基于相同的技术构思，本实施例还提出了一种任意形状球床局部堆积因子模拟计算装置，具体如图2所示，该装置包括：

数据获取单元，用于获取球床堆积结构模型数据；

参数和边界条件设定单元，根据数据获取单元获取的数据设定参数和边界条件：包括计算区域边界、分布平面和方向、网格大小；

网格划分单元，根据参数和边界条件设定单元设定的参数和边界条件，对分布平面进行网格化划分，获得网格点坐标；

遍历计算单元，根据网格点坐标以及设定的参数和边界条件，遍历计算每个网格点的局部线平均堆积因子，直到获得所有网格点的局部线平均堆积因子；

存储单元，用于存储所有网格点的局部线平均堆积因子数据；

分析单元，根据所有网格点的局部线平均堆积因子，计算球床的平均堆积因子、径向或轴向堆积因子、局部堆积因子分布数据。

实施例2：

本实施例采用上述实施例提出的方法和装置计算圆柱形球床的局部堆积因子，具体过程如下：

(1)获取圆柱形球床堆积结构模型数据，包括球形颗粒坐标和半径，球床形状和球床壁面边界，该球床包含9201个颗粒，如图3所示。

(2)设定圆柱形球床局部堆积因子计算用的参数和边界条件为：球床容器分别沿x轴和y轴的最大值与最小值，球床容器沿z轴的最小值z

(3)根据设定的参数和边界条件对圆形分布平面划分网格，如图4所示。

(4)根据网格点的坐标，遍历计算得到每个网格点的局部线平均堆积因子，如图5所示。

(5)根据所有网格点的局部线平均堆积因子，进一步分析得到圆柱形球床的径向堆积因子，如图6所示，以及局部堆积因子分布，如图7所示。

实施例3：

本实施例采用上述实施例1提出的方法和装置计算U形球床的局部堆积因子，具体过程如下：

(1)获取U形球床堆积结构模型数据，包括球形颗粒坐标和半径，U形球床形状和球床壁面边界，该U形球床包含76193个颗粒，如图8所示。

(2)设定U形球床局部堆积因子计算用的参数和边界条件为：球床容器分别沿x轴和y轴的最大值与最小值，球床容器沿z轴的最小值和最大值；设定的分布平面垂直于z轴，形状为U形，分布平面网格大小为0.25d，d为颗粒直径。

(3)根据设定的参数和边界条件，对U形分布平面划分网格。

(4)根据网格点的坐标，遍历计算每个网格点的局部线平均堆积因子。

(5)根据所有网格点的局部线平均堆积因子，可进一步分析得到U形球床的局部堆积因子分布，如图9所示。

需要说明的是，实施例2和实施例3仅为示例性说明，并不对此进行限制，本发明实施例提出的方法可以计算规则球床和非规则球床的局部堆积因子，并基于局部堆积因子可以进一步获得径向堆积因子，即本发明实施例提出的方法可适用于任意球床形状和分布平面形状的球床的局部堆积因子计算，且可以计算任意凸形曲面或多面体颗粒(即颗粒与切割线相交最多只有两个交点的颗粒)堆积球床的局部堆积因子分布，可以处理包含大量凸形颗粒的任意形状球床体系，且无需进行曲面积分，计算方式简便。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。