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任意几何特征线方法及其并行算法研究

摘要

特征线方法是一种沿着大量平行线段的中子输运方程求解方法，因其支持任意几何

输运计算并具有天然并行特性，该方法已成为国内外确定论输运程序的首选方法。尽管

特征线方法在理论上不受几何形式和网格剖分方式的限制，但仍存在着几何预处理上的

困难，这使得目前的特征线方法输运计算程序难以满足目前新型先进燃料组件和堆芯设

计的计算需求，如处理转鼓、组件盒等几何结构。此外，新型组件和堆芯的中子通量分

布具有强烈的各向异性特征，这使得传统的各向同性散射近似无法提供足够的计算精度，

面向各向异性散射的中子输运计算变为尤为重要。

为此，本文首先对特征线方法的任意几何预处理展开研究。针对用户友好性以及未

来多物理场耦合的计算需求，本文研究了基于非结构网格的特征线几何预处理方案。面

对以往研究中存在的燃料体积缺失问题，本文采取半径修正策略，使燃料棒在使用少量

网格进行空间离散时即可获得较高的计算精度；面对长射线追踪中存在的计算负担较重

的问题，采取图形学算法和角度并行策略实现高效的射线追踪。在此基础上，外耦合第

三方网格工具开发完成了可用于特征线方法输运计算的几何预处理工具。其次，本文研

究了各向异性散射中子输运计算方法，并开发异构并行高阶散射特征线求解程序。本文

对标通量归并核函数进行不同并行方案的性能分析，并评估其对整体计算性能的影响。

针对不同能谱下的散射矩阵特征，制定相应散射矩阵数据结构与散射源计算流程，在计

算性能与显存消耗之间权衡，面向不同计算场景选择相应的最佳方案；在标通量归并流

程中，针对不同层级的循环展开进行核函数性能分析，选择最优并行方案。

为验证所开发工具与程序的功能性与正确性，计算了不同几何结构、不同能谱特征

的多群宏观输运问题，问题规模从组件到小规模堆芯，能谱特征包含热谱与快谱。数值

结果表明：所开发的特征线几何预处理工具和异构并行高阶散射特征线程序能够满足复

杂几何和各向异性中子输运计算的需求，达到国际同类型程序的计算精度，且具有较高

的计算效率。

关键字：任意几何；特征线方法；异构并行；非结构网格

任意几何特征线方法及其并行算法研究

ABSTRACT

Themethodofcharacteristics(MOC)isaneutrontransportequationsolvingmethodalong

alargenumberofparallellinesegments.Duetoitssupportforarbitrarygeometrytransport

calculationsandnaturalparallelism,thismethodhasbecomethepreferredmethodfor

deterministictransportprogramsathomeandabroad.AlthoughtheMOCistheoreticallynot

limitedbygeometryandmeshpartitioning,therearestilldifficultiesingeometricpreprocessing,

whichmakesthecurrentMOCprogramdifficulttomeetthecomputationalrequirementsof

currentnewadvancedfuelassembliesandcoredesigns,suchashandlingcontroldrumsand

assemblyboxes.Inaddition,theneutronfluxdistributionofnewtypeassembliesandcoreshas

stronganisotropiccharacteristics,whichmakesthetraditionalisotropicscattering

approximationunableto