本发明提供了一种面向核动力装置仿真应用的单相水流体网络仿真方法，属于仿真方法领域，具体地说是一种面向核动力装置仿真应用的，能够同时适用于一回路、二回路与一回路辅助系统的单相水的流体网络仿真方法。
背景技术：
单相水流体网络是核动力装置中最常见的系统，由输送水的目管、支管、阀门、离心泵以及其他流体机械构成，包含换热设备部件，负责根据运行需要输送水工质的工作。核动力装置的单相水流网中，主要考虑因素为各管道压力、温度，母管及支管的流量等热工参数的分布。在压水堆核动力装置中，反应堆冷却剂回路、一回路辅助系统，二回路的凝给水系统、循环水系统、冷却水系统等工作介质均为单相水，其流动都是在管道中的流动，因此都可以视作流体网络。
目前，针对流体网络的仿真方法较多，具有代表性的主要有以下三种：
(1)由图形化界面输入相关参数，生成计算代码，进而计算仿真结果；
(2)在数据输入卡中输入相关参数，生成计算代码，进而进行仿真计算；
(3)由图形化输入界面输入相关参数，通过调用相关数据库完成计算，过程不产生任何代码。
在第(1)种方式中，应用对象多针对核动力装置的二回路以及一回路辅助系统，其建模过程复杂，需要生成代码，进而在编译、链接为可执行程序的过程中需要专业的编程知识，且模型局限性大，无法对核动力装置的一回路系统进行建模；
在第(2)种方式中，应用对象多针对核动力装置的一回路系统，其建模过程要填写大量、复杂的数据卡，数据卡为文本文档格式，不具备自动纠错功能，一旦填写错误，建模工作需要推倒重来，且该方法对于二回路系统设备的仿真能力较差；
在第(3)种方式中，应用对象也是主要针对核动力装置的二回路以及一回路辅助系统，其模型为封装程序，虽然避免了在调试窗口中进行编译等复杂工作，但其内部数据不开放，在调试过程中无法快速更改节点连接关系，且对于一回路仿真能力较差。
基于上述问题，本发明提出一种面向核动力装置仿真应用的单相水流体网络仿真方法，该方法通过填写给定格式的excel表格或在软件中分类输入的方式，对初始数据进行输入，避免传统数据卡输入过程中不能错误提示、输入枯燥单调的缺点；利用质量平衡、动量平衡、能量平衡的方程计算热工参数，只封装通用求解模块，保留外部接口与连接关系的程序代码，便于修改与添加外部模型，同时降低联调过程中的计算量；利用软件的图形化界面对调试窗口中的编译、链接等进行操作，降低建模难度；可随时更改节点连接关系而不需要重新建模，提高调试效率；模型基于物理过程，同时适用于一回路、二回路与一回路辅助系统的建模工作。
技术实现要素：
本发明提供了一种面向核动力装置仿真应用的单相水流体网络仿真方法，通过将实际流体网络划分为节点与流线，并考虑流体机械、换热设备的布置后，通过图形化的输入界面或自动生成的excel数据表填写节点、流线、流体机械与换热设备的信息，利用图形化界面完成仿真支撑平台的相关操作与可执行程序的生成，利用质量平衡、能量平衡与动量平衡完成流体网络仿真模型的计算，并通过交互式调试界面输出仿真结果。本发明的目的在于提供一种准确率高、精确度高的水流体网络仿真方法。
本发明的目的是这样实现的：
(1)对仿真对象进行预处理，包括将流体网络系统划分为节点与流线、设置不同流线上的流体机械、设置不同节点上的换热设备，在软件中输入设定的系统名称、节点数目、流线数目以及边界数目，生成系统分用户调试文件夹、excel数据卡，并拷入通用求解模块的动态链接库；
(2)输入参数与文件生成，包括在软件的图形化窗口中按提示分类输入预处理后的流体网络参数，或在指定格式的excel表格中按要求输入参数，并识读到软件中；根据识读的参数，生成计算加点文件、模块文件、节点/流线连接关系代码、主调用代码，生成初值赋值文件；
(3)利用软件的图形化界面窗口对加点、加模块、编译、链接、生成初值空间等步骤进行可视化操作，完成计算的可执行程序生成；
(4)利用质量平衡、能量平衡与动量平衡三大方程以及相应的数值求解方法对模型进行计算、求解；
(5)在仿真支撑平台上，对仿真计算结果进行实时监视与操作，输出仿真结果并推进时间步长，循环计算；
(6)在仿真过程中如发现节点、流线的划分存在不合理的情况，可直接在仿真支撑平台的调试界面对系统连接进行修改，无需重复步骤(1)-(2)；
(7)如有精细化的换热设备外部计算模型，可在换热程序中调用该模型，直接通过修改接口的方式进行添加，无需对重复步骤(1)-(2)。
本发明还可以包括：
1.所述对仿真对象进行预处理，具体包括：
(1-1)划分流体网络模型的节点与流线：根据实际流体网络的组成，在充分考虑传感器布置的情况下，将流体网络划分为由节点、流线与边界组成的流体网络模型，其中，管道的体积、压力、温度等参数在节点中体现；管道的流量、阻力在流线中体现；边界点为与其他系统的接口点，根据实际对象的不同，边界点分为流量边界(质量流量与焓值恒定)与压力边界(压力与焓值恒定)；
(1-2)在流线上设置流体设备：根据实际系统的组成，结合步骤(1-1)所建立的模型，将流体网络中的截止阀门、止回阀门、截止止回阀以及离心泵设置在合适的流线上；
(1-3)在节点上设置换热设备：根据实际系统的组成，结合步骤(1-1)所建立的模型，将管壳式换热器的壳侧、管侧分别设置到对应的节点上；
(1-4)输入节点、流线、边界的个数等信息：根据步骤(1-1)所建立的模型，在图形化界面上输入所建立的流体网络模型中，所包含的节点个数(最多20个)、流线条数(最多100个)以及压力边界个数(最多30个)、流量边界个数(最多20个)；输入流体网络模型的名称，以便建立分用户调试文件夹；
(1-5)生成文件夹：系统在确认初步填写信息无误后，根据所填写的名称生成分用户调试文件夹，并在文件夹内释放通用的流体网络求解程序；根据填写的流体网络模型信息，生成节点、流线、阀门、泵以及换热器参数数据卡模板；生成主调用程序以及流网部分加点文件与模块文件。
2.所述的输入参数与文件生成，包括：
(2-1)填写节点信息并生成节点参数初值：根据实际情况，结合步骤(1-1)所建立的模型，将节点的体积、上标高、下标高以及初始压力、温度填写进节点数据输入界面或节点数据卡；在图形化界面生成节点的初值文件；
(2-2)填写流线信息并生成流线参数初值：根据实际情况，结合步骤(1-1)所建立的模型，将流线的上游压力，下游压力，流体密度以及在该压差、密度下的额定流量填写到流线数据输入界面或流线数据卡；利用压差、密度与额定流量计算各流线的导纳；在图形化界面生成流线的初值文件；
(2-3)填写流体机械信息并生成加点文件与初值文件：根据实际情况，结合步骤(1-2)中确定的阀门位置，将阀门名称、作用流线、阀门种类填写到阀门数据输入界面或阀门数据卡，同时生成阀门阀位加点文件；结合步骤(1-2)中确定的离心泵位置，将离心泵作用流线、三个拟合点数据填写到泵数据输入界面或泵数据输入卡；生成离心泵的初值文件，生成流体网络的连接关系程序；
(2-4)填写换热设备信息并生成加点文件与计算程序：根据实际情况，结合步骤(1-3)中确定的换热器位置，将换热器壳侧、管侧对应的节点编号、管道直径、换热面积等数据输入到换热器数据输入界面或换热器数据输入卡；生成换热器的加点程序与计算换热的文件；
(2-5)在填写过程中，如有填写错误的信息，如上下游节点编号错误、温度大于饱和温度等，程序会自动提示报错。
3.所述的图形化仿真支撑平台操作，包括：
(3-1)在仿真支撑平台中完成计算数据点、数据模块的图形化添加，不启动调试界面、不输入相关命令；
(3-2)在仿真支撑平台中完成程序编译、链接为可执行程序的图形化操作，不对命令窗口手动输入相关命令；
(3-3)在仿真支撑平台中完成初值的赋值、程序的启动与交互式调试窗口的开启工作，不对命令窗口手动输入相关命令。
4.所述的仿真程序计算，包括：
(4-1)利用能量平衡方程，考虑能量随流体流动进出节点、通过换热器进出节点两项内容，得到关于节点内焓值的一阶线性常微分方程组，利用4阶龙格-库塔方法进行求解化为四个求解矩阵，采用lu分解法对矩阵进行求解；
(4-2)利用动量平衡方程，采用半隐式方法对其进行线性化，得到流量与压差的一次关系式；对于阀门采用在导纳项上乘以阀门平方项的方式进行模拟；对于逆止阀按照压差、泵压头与种位压头之和的正负判断开关；对于离心泵采用源项的方式计入到动量平衡方程中；
(4-3)利用质量平衡方程，得到节点压力计算方程；
(4-4)将半隐式化的动量平衡方程代入到(4-3)步中建立的质量平衡方程，形成关于节点压力的一阶线性常微分方程组，利用4阶龙格-库塔方法进行求解化为四个求解矩阵，采用lu分解法对矩阵进行求解；
(4-5)对于管壳式换热器，管侧采用d-b公式进行计算，壳侧采用茹卡乌斯卡斯公式进行计算；
(4-5)通用求解程序是最大节点、流线、边界数情况下的求解程序，已经封装完毕，直接调用即可，无需重复编译。
5.所述的对流体网络节点、流线划分方式更改的操作，包括：
(5-1)在原有的两个节点间添加一个节点，或在指定节点上添加边界；
(5-2)删去原有的两个节点间的一个节点，或删除指定节点上的边界；
(5-3)在指定流线上添加阀门或离心泵。
本发明提供的仿真方法，在对仿真方案进行小修改时，可不比重复建模步骤，直接在交互式调试界面进行修改；提供了模型与其他换热设备仿真程序的接口，扩展应用范围大大增加。
本发明可以对单相水流体网络进行不同于现有方式的仿真，与现有技术相比，本发明的优势在于：
(1)本发明采用数据卡输入数据的方式，建模人员在确定模型草图后方能进行数据输入工作，避免在输入数据的过程中对模型进行任意改动，有助于防止建模人员遗忘更改内容；
(2)本发明的数据输入，开在软件界面中按提示分类输入，也可在自动生成的excel表格中输入后读取，具有自动提示输入错误、输入参数分类明确的优点，能够避免数据输入过程中的枯燥与易错；
(3)本发明利用质量-能量方程的耦合解法进行求解，充分考虑了温度对于流体密度的影响，且模型依靠理论推导得出，应用范围扩大，除二回路、一回路辅助系统外，本发明的流体网络也可用以应用在一回路的流体仿真中；
(4)本发明不依靠具体的仿真支撑平台，在针对不同反震支撑平台进行相关控制命令与语句的修改后，可应用于任意window系统下的仿真支撑平台；
(5)在建模过程中的微小改动，应用本发明的方法进行建模时，不需要重复建模步骤，仅需要在交互式调试界面中进行连接关系变更即可；
(6)本发明的流体网络模型与外部模型的耦合性能好，可直接调用外部模型进行计算并耦合到本发明的流网程序中，对于蒸发器的一次侧模拟，可充分利用外部换热模型与本发明流网模型耦合的方式，扩展了模型的应用范围。
附图说明
图1本发明的仿真方法流程框图。
图2单相水流体网络流程示意图。
图3单相水流体网络仿真结块划分与设备位置示意图。
图4流体网络模型的初始设置示意图。
图5在图形化界面中输入相关参数信息及图形化操作界面的示意图。
图6在excel数据卡中输入相关参数信息的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
结合图1，本发明的实现步骤主要包括：
(1)对仿真对象进行预处理。具体如下：
a.划分流体网络模型的节点、流线与边界：一般来说，需要控制体积的地方，划分节点；泵、阀门前后划分节点；u型管的两侧分开划分节点；换热器壳侧、管侧要划分节点；与其他系统接口划分边界，节点、边界间由流线连接；划分完毕后对节点、流线、边界进行编号，其中节点信息中，普通节点编号1-50，压力边界编号52-81，流量边界编号82-101，编号51的节点为空指向点；流线信息中，普通流线编号1-100，流量边界编号101-120。
b.在流线上设置流体设备：将流体网络中的各类阀门、离心泵设置在合适的流线上；
c.在节点上设置换热设备：将换热器的壳侧、管侧分别设置到对应的节点上；
d.输入节点、流线、边界的个数等信息：根据(a)步所建立的模型，在图形化界面上输入所包含的节点个数、流线条数以及压力边界个数、流量边界个数；输入流网的名称；
e.生成文件夹：系统在确认初步填写信息无误后，根据所填写的名称生成分用户调试文件夹，并在文件夹内释放通用的流体网络求解程序，节点、流线、阀门、泵以及换热器参数数据卡模板，主调用程序以及流网部分加点文件与模块文件。
(2)输入预处理后的流体网络参数，操作可在图形化界面或指定的excel数据卡中完成，具体如下：
a.填写节点的体积、上标高、下标高以及初始压力、温度，生成节点的初值文件；
b.填写流线的上游压力，下游压力，流体密度以及在该压差、密度下的额定流量；利用压差、密度与额定流量计算各流线的导纳；生成流线的初值文件；
c.填写流阀门名称、作用流线、阀门种类，生成阀门阀位加点文件；填写离心泵作用流线、三个拟合点数据，计算得到三个拟合参数；生成离心泵的初值文件，生成流体网络的连接关系程序；
d.填写换热设备壳侧、管侧对应的节点编号、管道直径、换热面积等数据；生成换热器的加点程序与计算换热的文件；
e.在填写过程中，如有填写错误的信息，如上下游节点编号错误、温度大于饱和温度等，程序会自动提示报错。
(3)利用软件的图形化界面窗口对仿真支撑平台进行可视化操作，具体如下：
a.图形化按钮完成数据点、数据模块的图形化添加；
b.图形化按钮完成程序编译、链接为可执行程序；
c.图形化按钮完成初值的赋值、程序的启动与交互式调试窗口的开启工作。
(4)求解流体网络模型，具体如下：
a.利用能量平衡方程，考虑能量随流体流动进出节点、通过换热器进出节点两项内容，得到关于节点内焓值的一阶线性常微分方程组，如下式所示：
式中，ei——第i个节点内的总能量，kj；
mi——第i个节点内的总质量，kg；
hi——第i个节点内的流体比焓，kj/kg；
τ——时间，s；
ρi——第i个节点内的流体密度，kg/m3；
vi——第i个节点的体积，m3；
di,j——对于第i个节点，流线j与其的连接关系，当流线j指向节点i时，值为+1，当流线j自节点i流出时，值为-1，当流线j与节点i无关时，值为0。
j——流线总条数，本发明取值为100。
fj——流线j的流量，kg/s；
qs——来自于换热器的热量，以被加热为正值，被冷却为负值，kw；
qo——环境散热量，kw。
利用4阶龙格-库塔方法进行求解化为四个求解矩阵，采用lu分解法对矩阵进行求解；
b.准稳态方式考虑下的动量平衡方程如下式所示：
式中，aj——管道流通截面积，m2；
l——流体流动的长度，m；
g——重力加速度，9.8m/s2；
fs——外部动量的源相，pa/s；
p——压力，pa。
对该方程沿流体流动方向进行积分，如下式所示：
式中，pj,up——流线j上游节点的压力，pa；
pj,dn——流线j下游节点的压力，pa；
δl——流线j上下游节点高度差，m
λj——流线j的阻力系数；
d——流线j所代表管线的直径，m
ps——流线j上，由流体机械导致的压力升值，pa；
kad,j——流线j的导纳。
采用半隐式方法对其进行线性化，得到流量与压差的一次关系式，如下式所示：
式中，上角标(0)表示采用上一时刻的计算结果。
对于阀门采用在导纳项上乘以阀门平方项的方式进行模拟；对于逆止阀按照压差、泵压头与种位压头之和的正负判断开关；对于离心泵采用源项的方式计入到动量平衡方程中；
c.利用质量平衡方程，得到节点压力计算方程，如下式所示：
d.将半隐式化的动量平衡方程代入到(c)步中建立的质量平衡方程，形成关于节点压力的一阶线性常微分方程组，如下式所示：
利用4阶龙格-库塔方法进行求解化为四个求解矩阵，采用lu分解法对矩阵进行求解；
e.对于管壳式换热器，管侧采用d-b公式进行计算，壳侧采用茹卡乌斯卡斯公式进行计算。
(5)在仿真支撑平台上，对仿真计算结果进行实时监视与操作，输出仿真结果并推进时间步长，循环计算；
(6)修改节点、流线的连接关系可通过交互式调试界面直接修改流线上下游信息完成；
(7)如外部模型的耦合接口可通过修改换热程序完成。
结合图2对流体网络模型的实际建模过程进行说明。
图2为一简单流体网络的流程图，一条管线自高压水源取水，经两路支管输入不同压力的用水设备，管道上设有不同类型的阀门。其仿真方法如下：
(1)对仿真对象进行预处理。图2的流体网络中，将其划分为节点、流线组成的初步模型，根据其阀门所处的位置，选择其处于的流线，绘制出预处理后的仿真节块图，如图3所示；在图形化界面输入系统的基本信息，包括系统名称c21、节点个数、流线条数、边界个数等，如图4所示；利用图形化界面生成分用户调试文件夹与相关文件；
(2)参数输入，可利用图形化界面按要求分类输入，其中只需填写六项内容(节点号、初始压力、初始温度、体积、上标高、下标高)，其余内容为第(1)步自动生成，如不填写则为默认值(压力0.1mpa，温度25℃，体积0.15m3，上标高0.1m，下标高0m)，如图5所示；也可根据自动生成的excel数据卡输入后读入软件，其中只需填写六项内容(节点号、初始压力、初始温度、体积、上标高、下标高)，其余内容为第(1)步自动生成，如不填写则为默认值(压力0.1mpa，温度25℃，体积0.15m3，上标高0.1m，下标高0m)，如图6所示；输入错误的数据会在读入过程中报错，可随时进行更正；
(3)利用可视化界面完成仿真支撑平台的相关操作，包括加点、加模块、编译、链接以及初值生成，如图5所示，菜单中所具有的仿真支撑平台过程按步骤进行操作，每次操作具有成功/失败提示并告知失败原因，便于修改；
(4)运行由上一步操作得到的流体网络模型求解程序，以质量、能量与动量三大平衡为基础，相关数值解法为手段实时求解流体网络模型的计算结果；
(5)向前推进时间步长，循环进行计算，并通过仿真支撑平台的交互式调试界面监视仿真模型输出的计算结果。