基于JFNK方法的OTSG热工水力并行仿真程序研发
摘要
直流蒸汽发生器(Once-ThroughSteamGenerator,OTSG)是核动力装置一、二回路的
枢纽。核动力装置的安全性、经济性与蒸汽发生器运行的稳定性、安全性有着密不可分
的关系。由于OTSG二次侧存在着复杂的两相流动和传热现象，其运行特性和控制方
式与传统蒸汽发生器有很大不同，因此，必须采用合理的研究手段深入研究其特性。数
值仿真技术具有成本低、效率高等优势，是研究OTSG热工水力特性的有利手段。因此，
为准确模拟OTSG的瞬态过程，必须建立精确的仿真模型和开发相应的求解程序。
基于质量、动量和能量守恒原理，采用控制体建模方法，建立了套管式直流蒸汽发
生器的五方程漂移流模型，并采用一阶半隐式Euler格式与一阶迎风格式对漂移流模型
进行离散。同时，模型中采用了适用于窄环隙流道的传热模型和流动阻力模型。
采用Jacobian-FreeNewton-Krylov(JFNK)方法求解五方程漂移流模型，系统地研
究了强制因子、微扰量及代数预处理技术对JFNK方法收敛速度的影响。分析了套管式
直流蒸汽发生器的结构、串行程序的热点模块，采用MPI+OpenMP的混合并行编程技
术，采用FORTRAN程序设计语言研发了套管式直流蒸汽发生器仿真程序(Thermal-
HydraulicsparallelsimulationcodeofCasingOnce-ThroughSteamGenerator，THCOTSG)，
利用CPU为3900X，内存为16.0GB的单节点计算机单节点计算机对并行程序进行
了性能测试，测试时，CPU频率锁在4.4GHz，相较于串行程序，THCOTSG程序的计算
效率明显提高，加速比达到12.74。
利用THCOTSG程序对一负荷为3.0MW的套管式直流蒸汽发生器进行稳态和动
态工况的仿真计算，将稳态仿真结果与实验结果进行对比，5种稳态工况中，误差最大
为1.126％；将动态仿真结果与RELAP5程序计算结果进行对比，各参数的瞬态变化趋
势一致，5种瞬态工况下，蒸汽发生器状态稳定后误差最大为1.125％，从而验证了
THCOTSG程序的准确性。THCOTSG仿真程序为深入研究直流蒸汽发生器热工水力特
性提供了工具，具有一定的工程实用意义。
关键词：OSTG；漂移流模型；JFNK；MPI+OpenMP
基于JFNK方法的OTSG热工水力并行仿真程序研发
Abstract
Once-throughsteamgeneratorishuboftheprimaryandsecondaryloopsinnuclearpower
plants.Thesafetyandeconomyofanuclearpowerplantarecloselyrelatedtothestabilityand
safetyofsteamgeneratoroperation.Duetothecomplextwo-phaseflowandheattransfer
phenomenaoccurredinthesecondaryside,operatingcharacteristicsandcontrolmethodsofa
once-throughsteamgeneratoraredifferentfromthoseoftraditionalsteamgenerators.
Therefore,reasonableresearchmethodsmustbeusedtostudyitscharacteristics.Numerical
simulationtechnologyhastheadvantagesoflowcostandhighefficiency,whic