【信创】自主化系统级管网仿真分析软件FlowSystem

摘要

核电工艺系统是核电厂的核心组成部分，涵盖了核岛、常规岛及其辅助系统的复杂流体管网。这些系统通过精确的流体动力学设计和控制，确保核反应堆的安全运行、能量转换以及核燃料的有效利用。然而，核电厂工艺系统的复杂性对设计、优化和安全评估提出了极高的要求。传统设计方法难以满足现代核电厂对高精度、高效性和安全性的需求，因此，开发先进的仿真分析工具成为核能技术发展的必然选择。

近年来，随着计算机技术的飞速发展，系统级管网仿真分析软件在核电厂工艺系统设计和运行中的作用日益凸显。仿真技术不仅能够对核电厂的稳态和瞬态工况进行全面分析，还能为系统设计、事故模拟以及运行优化提供技术支持。

为满足核电厂对自主可控仿真技术与特殊定制化元件仿真的需求，提升我国在核电领域的核心竞争力，上海核工程研究设计院股份有限公司自主研发了系统级管网仿真分析软件FlowSystem。通过开发高适配度的元件库和高效的求解算法，FlowSystem实现了复杂管网系统的全面仿真。FlowSystem在开发过程中充分考虑了核电厂工艺系统的复杂性和特殊性，其元件库涵盖了核电厂工艺系统所涉及的上百种元件。

软件具备流体管网分析核心求解器和基本用户界面功能，可以通过鼠标拖放构建包括各种流体组件和分支的复杂流体网络，能对一个复杂流体网络的流量、温度、压力、组分进行稳态和瞬态分析。

此外，FlowSystem软件具备多项创新功能，能够实现三维设计模型到一维管网模型的快速转换，可以大大提高工程师构建系统仿真模型的效率。FlowSystem内嵌了国际通用的模型标准接口FMI，支持与多种通用三维CFD仿真软件的耦合仿真。这种协同仿真能力不仅提升了系统关键元件的仿真精度，还能将CFD的详细结果降维传回用于系统分析或改善元件经验模型。通过这些功能，FlowSystem可以为核电厂的设计、运行和维护提供更加科学、可靠的决策依据。软件还集成的优化算法与回归算法，为优化系统设计和验证仿真结果提供了有效的工具，确保软件的稳定性和适用性。

软件总体采用“框架+组件”的架构设计，便于不同计算模块的同步开发及兼容，同时也利于软件功能的扩展。其中主框架软件主要集中于可视化建模人机的交互模块、前后处理模块、驱动子模块的运行，仿真分析求解器侧重于具体的计算。

2.1 可视化建模模块

FlowSystem软件具有良好的用户界面，建模过程中界面简明直观，与使用者实现快捷、友好的人机交互。系统中最为核心的界面是画布系统，导航、工质库、元件库为a画布系统提供支持。底层的图形框架为所有的界面提供容器。用户可以通过鼠标拖放构建各种流体组件和分支的复杂流体网络，软件后处理界面可以显示计算结果报告和相关图表。采用图形化系统建模的方式，能满足用户快速建模的需要，并且通用性强，方便进行修改操作。

2.2 元件库

元件库是系统级管网仿真分析的核心模块，FlowSystem的元件库专为复杂流体管网设计。元件库涵盖了核电厂工艺系统中几乎所有关键组件，包括管道、泵、阀门、换热器、水箱等，共计16大类、115种不同元件，并为每个元件配备了可视化的简图，方便工程设计人员在FS软件上进行模型搭建。这些元件不仅满足了核岛、常规岛及辅助系统的设计与分析需求，还通过集成600多个性能曲线和曲面，为用户提供了精确的元件特性模拟。

元件库的设计充分考虑了核电厂工艺系统的复杂性和多样性。例如，泵和压缩机元件集成了详细的流量-扬程、流量-功率和效率曲线，能够精确模拟不同工况下的运行特性；阀门元件则支持用户根据实际需求设置开度、压力降和流量系数，以适应复杂的流体控制场景。为了确保数据的安全性和一致性，元件库的所有性能曲线和曲面数据均存储在专有的数据库中，方便用户进行管理，还支持用户自定义元件特性曲线，进一步增强了软件的灵活性。

2.3 核心求解器模块

FlowSystem软件前处理界面设置的参数传递到求解器内部，求解器将不同的物理量处理到相应的守恒方程，包括质量守恒、动量守恒、能量守恒等。

质量守恒：

上式中：v是速度，ρ是流体密度，η是流体黏度，p是流体压力，t为时间，f为作用在流体上的体积力，e为单位质量的内能，p为流体压力，g为重力加速度，τ为黏性应力张量，T为流体温度,k为导热率。

对于流固耦合计算、混合计算、相变计算等还包括组分守恒方程、固体能量守恒方程、换热源项方程、两相流方程等。

求解器提供解耦的求解方案，使用不同参数和方程的模块化求解流程。主模块求解流程采用牛顿-拉弗森迭代法，其迭代变量包括各个节点上的状态量，如压力和驻留质量，各个分支上的过程量，如流量和流速等流动参数；在主模块流程之外，根据每次主迭代的基础状态量和过程量，求解其他流体方程，如能量方程、组分方程和流固耦合方程。这样的一个解耦过程，使得整个求解过程具有更高的稳定性，流体网络的主要状态量和过程量经过迭代后才参与到其他参数的求解，在保证精度的同时能够减少求解时间。

针对于主流程外的其他方程的迭代也是以模块化的方式嵌入到整个流程当中，能量方程、组分方程、多相流方程、流固耦合方程都是以子模块的方式求解，从主求解模块中得到输入数据后，根据自身方程的特点得到其他量，如焓、熵、温度、组分浓度等后，以已知参数的方式参与到主要迭代中，循环得到下一次主迭代的状态量和过程量，直到完成整个流体网络的计算。这种方式参考了主流CFD的计算方案，减少了求解的复杂度和数值迭代的次数。

2.4 模型快速转换

FlowSystem内嵌了模型快速转换功能，实现了从PDS、S3D、PDMS等主流三维设计软件到FlowSystem仿真模型的高效转换。

该转换功能能够快速读取和解析PDS、S3D、PDMS等软件生成的三维模型文件，并将其转换为FlowSystem所需的管网模型。在转换过程中，FlowSystem不仅可以保留三维模型的几何信息，还能根据模型的三维位置关系自动确定一维元件的连接关系。该模块总结管道设计的特点，采用连通图数据结构与管网模型数据对接，将管网物理模型转换成连通图数据，使用深度优先、节点插入等算法解决了模型连通、边界设定等快速建模的关键问题。这一功能显著减少了从三维设计到一维仿真建模的时间。

核电厂系统元件数量多，模型的快速转换可以显著提高建模效率和减少人因失误。以设备冷却水系统为例，原来建模要1个月，现在只需半天，效率提升50 倍以上。

2.5 CFD耦合仿真

将一维系统级仿真与三维CFD（计算流体动力学）仿真相结合是提升仿真精度和效率的重要手段。FlowSystem软件中开发了三维CFD耦合仿真模块，与多种常用CFD软件实现了对接。

FlowSystem的CFD耦合仿真模块通过FMI（Functional Mock-up Interface）国际通用标准，能够与Star CCM+、Fluent等商用CFD软件进行高效对接。此外，基于UDP/IP通信协议，FlowSystem软件还可以跨平台接入OpenFoam类型的开源CFD软件。这种跨平台、多软件的兼容性，为用户提供了极大的灵活性，能够根据具体需求选择合适的CFD工具。

在耦合仿真过程中，FlowSystem软件能够实现每个迭代步的实时数据交换与同步。在一维管网模型与三维CFD模型之间，可以实时传递流体的流量、压力、温度等关键参数，确保仿真结果的准确性和一致性。这种实时耦合仿真功能，不仅提高了仿真效率，还能够有效减少因数据延迟导致的误差。

通过CFD耦合仿真模块，FlowSystem软件能够实现对复杂元件的精细求解，同时兼顾大规模管网的仿真需求。例如，在核电厂工艺系统中，对于关键的换热器、阀门等元件，可以通过CFD软件进行高精度的三维流动和传热分析，而整个管网系统则通过FlowSystem进行快速的一维仿真。这种结合方式，既保证了关键部件的仿真精度，又避免了对整个系统进行全三维CFD仿真的高昂计算成本。

流体管网系统通过元件和测量、控制仪表的组合连接，实现设计功能。常规的管网元件包括三通、阀门、管道、热交换器等。对于单一元件进行仿真验证是验证管网分析准确性的重要基础。软件开发团队组织了用户与专业测试团队，就FlowSystem元件计算的准确性，通过与国际著名的商用软件Flowmaster对比进行了测试验证。最终共计完成16大类元件的测试，包含圆管、弯头、三通、阀门等，测试结果表面FlowSystem的单元件计算误差均小于5%。

开发团队还针对10种不同工况进行了测试，包括瞬态可压、稳态可压、瞬态不可压、稳态不可压、稳态传热、瞬态传热、可压配平、不可压配平等。这些测试涵盖了核电厂工艺系统中常见的各种运行状态。测试结果表明，FlowSystem在这些工况下的计算结果均通过了验证。

为了进一步验证FlowSystem在实际工程中的应用效果，开发团队基于核电站调试数据对五个工艺系统管网进行了测试。测试结果显示，FlowSystem的仿真结果与实际调试数据高度一致，误差均在合理范围内。

综上所述，FlowSystem软件在元件计算的准确性、多种工况的适应性以及实际工程应用中的准确性方面均具有良好的表现。

FlowSystem软件是上海核工程研究院股份有限公司自主研发的系统级管网仿真工具，为核电厂工艺系统及其他复杂流体管网设计，具有诸多创新点和广泛的应用潜力。

本软件提供了一种计算管网流体流动和传热的通用分析方法，填补了国内在这一领域的空白。还首次开发了从三维管道布置模型到仿真模型的转换方法，这一创新点有效解决了三维管网到一维管网模型的位置与几何参数传递、元件与边界条件自动配置等问题，显著提高了建模效率和精度。通过自主研发的高效求解器，FlowSystem软件成功解决了长期以来困扰行业的“卡脖子”问题，确保了仿真计算的准确性和可靠性。

FlowSystem为工程师和研究人员提供了全面的管网仿真分析解决方案，帮助优化管网系统设计和运行策略，实现更经济、高效可靠的管网系统。FlowSystem不仅在可以在核电工程设计、运维中应用，还具备在船舶、航空、化工等多个领域的推广潜力。

参考文献

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