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基于POD及神经网络的蒸汽发生器传热管内温度场的快速重构技术研究

张贺 梁彪 王博 谭思超 韩蕊 李江宽 田瑞峰

张贺, 梁彪, 王博, 谭思超, 韩蕊, 李江宽, 田瑞峰. 基于POD及神经网络的蒸汽发生器传热管内温度场的快速重构技术研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(2): 90-97. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070047
引用本文: 张贺, 梁彪, 王博, 谭思超, 韩蕊, 李江宽, 田瑞峰. 基于POD及神经网络的蒸汽发生器传热管内温度场的快速重构技术研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(2): 90-97. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070047
Zhang He, Liang Biao, Wang Bo, Tan Sichao, Han Rui, Li Jiangkuan, Tian Ruifeng. Research on Rapid Reconstruction Technology of Temperature Field in Heat Transfer Tube of Steam Generator Based on POD and Neural Network[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(2): 90-97. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070047
Citation: Zhang He, Liang Biao, Wang Bo, Tan Sichao, Han Rui, Li Jiangkuan, Tian Ruifeng. Research on Rapid Reconstruction Technology of Temperature Field in Heat Transfer Tube of Steam Generator Based on POD and Neural Network[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(2): 90-97. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070047

基于POD及神经网络的蒸汽发生器传热管内温度场的快速重构技术研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070047
基金项目: 中核集团领创基金项目(CNNC-LCKY-202251)
详细信息
    作者简介:

    张 贺(1998—),男,硕士研究生,现主要从事核动力系统智能化方面的研究,E-mail: he123@hrbeu.edu.cn

    通讯作者:

    王 博,E-mail: bowang@hrbeu.edu.cn

  • 中图分类号: TL334

Research on Rapid Reconstruction Technology of Temperature Field in Heat Transfer Tube of Steam Generator Based on POD and Neural Network

  • 摘要: 套管式直流蒸汽发生器的二次侧流域涉及到复杂的两相流动,数值模拟方法虽然能够精准地进行仿真计算,但其计算速度缓慢,对于多工况、瞬态条件下的计算耗时长,计算资源占用较大。模型降阶是一种将复杂系统转化为一个近似简化系统的方法,能够在保留原系统主要特征的同时实现快速计算。本研究采用本征正交分解(POD)方法对换热管内温度场进行模型降阶,截取有限模态对原复杂系统进行投影获取模态系数,应用神经网络方法捕捉长短期时序模态系数分布规律。研究结果表明,预测重构温度场误差在15%范围内,且预测速度相较于数值模拟方法能够提升4个数量级。因此,本研究建立的模型降阶耦合神经网络的预测方法能够用于套管内温度场的快速预测,为其内部热工水力分析提供支撑。

     

  • 图  1  物理计算域选取

    Figure  1.  Selection of Physical Computing Domain

    图  2  网格划分

    Figure  2.  Computational Domain Meshing

    图  3  网格无关性验证

    Figure  3.  Mesh Independence Verification

    图  4  出口温度数值模拟及系统仿真计算结果对比验证

    Figure  4.  Comparison and Validation of Numerical Simulation and System Simulation Results for Outlet Temperature

    图  5  出口温度计算相对误差

    Figure  5.  Relative Error of Calculated Outlet Temperature

    图  6  温度场预测重构算法框架

    Figure  6.  Temperature Field Prediction Reconstruction Algorithm Framework

    图  7  残差块的基本结构

    Figure  7.  Basic Structure of Residual Block

    图  8  TCN-GRU网络架构

    Figure  8.  TCN-GRU Network Architecture

    图  9  数据集设置

    Figure  9.  Dataset Configuration

    图  10  模态系数能量分布

    Figure  10.  Modal Coefficient Energy Distribution

    图  11  升功率运行工况预测结果

    Figure  11.  Predicted Results of Power Increase Operating Conditions

    图  12  稳定运行工况预测结果

    Figure  12.  Predicted Results of Stable Operating Conditions

    图  13  1100 s重构结果及误差分布

    Figure  13.  Reconstruction Results and Error Distribution at 1100 s

    图  14  1300 s重构结果及误差分布

    Figure  14.  Reconstruction Results and Error Distribution at 1300 s

    图  15  1500 s重构结果及误差

    Figure  15.  Reconstruction Results and Error Distribution at 1500 s

    图  16  8100 s重构结果及误差

    Figure  16.  Reconstruction Results and Error Distribution at 8100 s

    图  17  8500 s重构结果及误差

    Figure  17.  Reconstruction Results and Error Distribution at 8500 s

    表  1  部分时间步POD及预测重构最大相对误差

    Table  1.   Maximum Relative Error in POD and Prediction Reconstruction at Certain Time Steps

    时间/s POD重构误差 预测重构误差
    1100 0.034 0.033
    1300 0.058 0.058
    1500 0.099 0.103
    8100 0.134 0.136
    8500 0.138 0.134
    下载: 导出CSV

    表  2  实验环境配置

    Table  2.   Configuration of Experimental Environment

    名称 配置信息
    操作系统 Windows 10 22H2
    开发语言 Python 3.9.17
    框架 Pytorch 1.12.0 + cuda 11.6
    中央处理器(CPU) Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2696 v4 @ 2.20 GHz*2
    图形处理器(GPU) GeForce RTX 3060 (12G)
    内存 128G
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-17
  • 修回日期:  2024-07-29
  • 网络出版日期:  2025-01-23
  • 刊出日期:  2025-04-02

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