基于节块展开法的JFNK联立求解耦合系统的方法研究/清华大学优秀博士学位论文丛书_周夏峰著_9787302556428

　　高温气冷堆核电系统是一个包含多个物理场、多个回路和多个模块的复杂系统，涉及物理、热工、流体力学等非线性强耦合问题的求解。
　　《基于节块展开法的JFNK联立求解耦合系统的方法研究/清华大学优秀博士学位论文丛书》在节块展开法的基础上讨论了扩展JFNK全局耦合的新思路和高效粗网节块展开法，探索和开发了适用于高温气冷堆复杂系统的联立耦合计算平台NEM_JFNK，努力缓解或解决了现有复杂耦合系统采用的算符分裂方法计算精度和收敛性无法保证的难题。
　　《基于节块展开法的JFNK联立求解耦合系统的方法研究/清华大学优秀博士学位论文丛书》中研究的预处理方法、局部消去方法、全局收敛方法、统一求解框架等可很容易地推广到其他反应堆耦合系统研究，可为真实核能耦合系统的联立求解和程序开发提供理论依据和方法基础。

　　听闻周夏峰的优秀博士学位论文被清华大学出版社按专著方式出版，作为‘他的指导老师，我感到特别高兴。这既是对周夏峰博士期间科研成果的肯定，也为从事核电站耦合计算的同行提供了一个更好交流的机会，更是周夏峰学术生涯的一个新起点。感谢清华大学和清华大学出版社，提供专著的出版机会以及我写序的机会。
　　回想周夏峰的求学、研究经历，仍然历历在目。他潜心钻研，触类旁通；对发现的问题深追不放，对各种可能勇敢探索，勇于尝试；既敢于坚持自己的观点，又能虚心接受他人的建议。他先从反应堆物理计算方法出发，随后扩展到热工计算方法，再将结果反过来应用于反应堆物理计算，再应用于物理热工耦合，最终取得了出色的成果。这一直是我的希望，我的要求，也是我们团队的传统，而周夏峰做得也特别好，为师弟师妹做了一个好榜样。有学生如此，有科研同伴如此，人生一大快事、一大幸事。
　　对于周夏峰的论文内容，我就不在此啰嗦，请读者自己阅读、体会。在这里我想说说课题研究的大背景，也有助于大家了解此工作的来龙去脉、我们的长期探索、每一步遇到的艰辛，以及工作量的庞大和知识面的庞杂。
　　借助越来越强大的计算能力，我们可以把核电站的各个物理变量、各个子系统（包括核功率、燃料温度、冷却剂温度、冷却剂流量、蒸汽发生器参数、辅助系统的状态、汽轮机的状态等等）作为一个完整系统，联立、严格、准确地求解，而不满足于单独研究反应堆物理、反应堆热工、控制系统和蒸汽发生器；或者采用算符分解方式，仅通过各个物理场单独计算，再通过边界条件交换数据，进行一定程度的迭代，间接求解整个系统。耦合系统的联立计算更准确、更精细，也更难。这种耦合系统的高效求解，是学术界的热点和难点问题。至今，还没有能真正实现核电站全厂高效、准确、联立求解的方法。全范围模拟机的确覆盖了全电厂，但并没有真正做到所有物理场、所有系统联立求解，在数学上还属于算符分解方式。
　　清华大学核能与新能源技术研究院研究的球床式高温气冷堆核电站具有所有核电站的多物理场耦合、多回路构成、空间和时间上多尺度耦合、高度非线性等通用复杂性，又具有很突出的特殊性，包括在线换料的球床，燃料颗粒、燃料球、球床三级非均匀性和空间多尺度耦合，核功率的快速响应、大热容的堆芯带来的堆芯温度的缓慢响应、直流蒸汽发生器的快速响应带来的时间多尺度耦合，多个核蒸汽供应模块通过蒸汽母管连接一个汽轮发电机组的超大型系统，等等。这些特殊性带来了更大规模、更复杂的耦合特性，因此高温气冷堆核电站的耦合计算也具有更大的挑战性。
　　同时，针对球床式高温气冷堆，由于采用单相惰性气体氦气作为冷却剂，对于大家比较关注的堆芯计算：堆芯物理计算会等效为均匀化物质进行计算，热工水力学计算也会等效为多孔介质进行计算。物理、热工、流体计算等本身在形式上都比较简单，三者可在一个统一的场下进行计算，天然具有采用联立方程进行多物理场耦合计算的优势，并可进一步把联立计算的范围扩展到整个氦气连接的一回路、蒸汽发生器和二回路，从而对整个核电站进行真正的联立求解。从理论上，上述方法更易于联立求解整个高温气冷堆核电站，更具可行性。
　　根据我们的调研、理解和尝试，针对复杂耦合非线性系统的联立求解，最简单的实现思路是算符分解、Picard迭代；但对于复杂系统，牛顿法才是出路，才能保证全局性、稳定性、收敛性。在牛顿法的各种实现方法中，JFNK（Jacobian-Free Newton Krylov）方法比较精巧，成为首选方法或主干方法，它可以融合、接纳、支撑其他方法，特别是各种预处理方法。它在系统级描述、子系统划分、子物理场描述、空间离散化、矩阵高效运算、各种预处理方法的应用、基础算法库、通用软件平台等各方面都有平衡的考虑，留有优化空间，有成功尝试的例子，很有前途但也很复杂，涉及面很广。

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