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基于PINN的燃料棒稳态温度分布快速预测方法研究

刘振海 张涛 齐飞鹏 张坤 李垣明 周毅 李文杰

刘振海, 张涛, 齐飞鹏, 张坤, 李垣明, 周毅, 李文杰. 基于PINN的燃料棒稳态温度分布快速预测方法研究[J]. 核动力工程, 2024, 45(S1): 39-44. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S1.0039
引用本文: 刘振海, 张涛, 齐飞鹏, 张坤, 李垣明, 周毅, 李文杰. 基于PINN的燃料棒稳态温度分布快速预测方法研究[J]. 核动力工程, 2024, 45(S1): 39-44. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S1.0039
Liu Zhenhai, Zhang Tao, Qi Feipeng, Zhang Kun, Li Yuanming, Zhou Yi, Li Wenjie. Research on Fast Prediction Method of Fuel Rod Steady-state Temperature Distribution Based on PINN[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(S1): 39-44. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S1.0039
Citation: Liu Zhenhai, Zhang Tao, Qi Feipeng, Zhang Kun, Li Yuanming, Zhou Yi, Li Wenjie. Research on Fast Prediction Method of Fuel Rod Steady-state Temperature Distribution Based on PINN[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(S1): 39-44. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S1.0039

基于PINN的燃料棒稳态温度分布快速预测方法研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S1.0039
详细信息
    作者简介:

    刘振海(1989—),男,高级工程师,现主要从事燃料设计及性能模拟工作,E-mail: 1989lzhh@sina.com

  • 中图分类号: TL334

Research on Fast Prediction Method of Fuel Rod Steady-state Temperature Distribution Based on PINN

  • 摘要: 本研究建立了一种基于物理信息神经网络(PINN)的燃料棒稳态温度分布快速预测方法。将燃耗、线功率、温度边界、空间位置等作为特征参数,利用PINN求解参数化的固体导热方程。基于该方法分别建立了燃料芯块和包壳稳态温度分布快速预测模型,计算结果表明:快速预测模型的计算速度相比商业有限元软件而言快1000倍,同时具有较高精度,芯块和包壳稳态温度与验证集相比预测最大相对偏差分别约0.318%、0.013%,可以快速且准确地预测燃料棒稳态温度分布。

     

  • 图  1  PINN架构

    X—PINN的输入参数;σ—PINN的激活函数

    Figure  1.  Architecture of PINN

    图  2  PINN损失函数值及验证偏差随训练次数的变化曲线

    Figure  2.  Curves of the Loss Function Value and Verifiction Bias of PINN as a Function of Training Times

    图  3  PINN预测值与FEM计算值的相对偏差分布

    Figure  3.  Relative Deviation Distribution of PINN Predictions and FEM Calculations

    图  4  典型参数下燃料芯块和包壳稳态温度PINN预测值与FEM计算值的对比

    Figure  4.  Comparison between Predicted Fuel Pellet and Cladding Temperature Distribution by PINN under Typical Parameters with FEM Calculation Values

    表  1  PINN参数表

    Table  1.   Parameters of PINN

    参数 芯块稳态温度预测PINN 包壳稳态温度预测PINN
    输入参数维度 4 3
    隐含层数目 2 1
    隐含层神经元数 20 10
    其他层激活函数 tanh函数
    输出参数维度 1
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    表  2  燃料芯块稳态温度预测PINN采样方案

    Table  2.   Sampling Scheme of PINN for Predicting Fuel Pellet Temperature

    参数 训练采样点数目 验证采样点数目
    平均燃耗
    [0~60000 MW·d·t−1(U)]
    5 10
    平均线功率
    (0~35 W·mm−1
    5 10
    外表面温度
    (573~873 K)
    5 10
    无量纲化径向位置
    (0~1)
    20 40
      括号中数据为取值范围,下同
    下载: 导出CSV

    表  3  燃料包壳稳态温度预测PINN采样方案

    Table  3.   Sampling Scheme of PINN for Predicting Fuel Cladding Temperature

    参数 训练采样点数目 验证采样点数目
    平均线功率
    (0~35 W·mm−1
    5 10
    外表面温度
    (293~673 K)
    5 10
    无量纲化径向位置
    (0.88~1)
    5 10
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    表  4  PINN预测值与FEM计算值的对比

    Table  4.   Comparison between PINN Predictions and FEM Calculations

    参数 芯块稳态温度预测PINN 包壳稳态温度预测PINN
    绝对偏差/℃ [−3.97, 4.96] [−0.036, 0.045]
    绝对偏差平均值/℃ 0.68 0.011
    相对偏差/% [−0.262, 0.318] [−0.011, 0.013]
    相对偏差平均值/% 0.064 0.002
      注:①绝对偏差=PINN预测值–FEM计算值;②绝对偏差平均值基于绝对值计算;③相对偏差=(PINN预测值–FEM计算值)/FEM计算值;④相对偏差平均值基于绝对值计算
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    表  5  PINN预测速度与FEM求解速度的对比

    Table  5.   Comparison between PINN Prediction Speed and FEM Solution Speed

    对比项 PINN训练耗时/s PINN预测耗时/s FEM计算耗时/s 加速比
    芯块 113.2 7.20×10−3 7.38 1025
    包壳 19.4 1.50×10−4 0.44 2933
    总计 132.6 7.35×10−3 7.82 1064
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-28
  • 修回日期:  2024-03-30
  • 刊出日期:  2024-06-15

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