基于特征对齐域适应的稳压器波动管热应力预测方法

本发明属于核电厂稳压器波动管热应力预测，具体涉及一种基于特征对齐域适应的稳压器波动管热应力预测方法。

背景技术：

1、压水堆核电厂包含庞大的管路系统，以连接不同设备与装置，实现不同的工艺过程及流程。在实际核电厂运行过程中，高温、高压的极端恶劣工况和管内复杂多变的流动与传热状态使得核电厂管路系统极易发生结构失效与疲劳，成为威胁核电厂安全运行的“隐患”。目前世界范围内的压水堆核电厂已经发生过一系列的与管道系统结构失效相关的事件，比如：高压安注管线的泄漏、余热去除管线的泄漏、疏水管线泄漏、下泄管线的泄漏、稳压器波动管线发生位移等，并且随着核电厂服役时间的延长，因材料的老化、疲劳等原因导致管道的裂纹、冷却剂泄漏事件发生的概率也将会大大增加。因此，管路的流动、传热与应力、应变状态监测及管路结构失效评估成为核电厂管路系统设计和安全运营中最受关注的研究课题之一。

2、一般而言，对核电厂管道的结构完整性和安全性造成威胁的流动与传热现象有：热分层、热波纹、热冲击、湍流穿透、热循环和冷热混流等。核电厂运行过程中，管路内流体复杂多变的流动与传热会导致管道结构应力与应变的不均匀分布和波动变化，进而诱发管路疲劳和失效。由此看来，核电厂管路的安全性涉及流场分析、热-力耦合分析等多个学科。由于研究问题的学科交叉性和复杂性，目前针对由管道结构应力与应变的不均匀分布，仍未形成可靠有效的预测方法。

3、波动管是连接核电厂稳压器与一回路系统热管段的细长管路结构，在维持一回路系统管道压力稳定、确保核电厂安全运行中起到不可或缺的重要作用。然而，由于波动管结构和功能的特殊性，使得管道长期处于高温差且“波入”(流体流向稳压器)和“波出”(流体流出稳压器)交替并存的波动工况下，当出现波动流时，来自主管道的冷却剂温度低，密度大，占据波动管准水平段管道截面的下部；来自稳压器的冷却剂温度高、密度小，占据波动管准水平段管道截面的上部，即在波动管准水平段内出现热分层现象。由于两种不同温度层之间缺少充分混合，在水平(或接近水平)管道的横截面上产生不均匀的温度分布。这种不均匀温度分布的重复出现使波动管产生弯曲应力口，增加了波动管焊缝疲劳失效的可能性。然而在现有研究中，大多是在非实时的静态波动管特性数据基础上使用数学建模或者物理仿真对波动管进行热分析，这类方法不具有实时性，且模型在未知工况下泛化能力差。综上所述，如果能对波动管当前或者未来时刻热应力进行及时预测，为可能出现的波动管疲劳失效提供预警信息，对核电厂的安全运行具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于特征对齐域适应的稳压器波动管热应力预测方法，用于解决传统热分析方法中热应力预测非实时、不具有泛化能力以及过度依赖数学建模以及物理仿真的技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、基于特征对齐域适应的稳压器波动管热应力预测方法，包括以下步骤：

4、s1、选取核电厂稳压器波动管仿真工况；

5、s2、构建波动管几何模型并进行网格划分，根据步骤s1中核电厂稳压器波动管仿真工况的边界条件，使用fluent进行流体仿真获取流体温度和流速仿真结果；

6、s3、根据步骤s2得到的流体温度和流速仿真结果，对波动管壁面进行网格划分，并使用瞬态结构与fluent进行流-固耦合仿真，获取波动管壁面热应力仿真结果，在此基础上构建源域热应力数据集；

7、s4、构建源域热应力时频特征归一化预测模型，使用步骤s3得到的源域热应力数据集对其进行训练；

8、s5、基于无量纲分析对波动管内流体物性进行修改以模拟仿真环境和工程实际的差异，随后基于波动管多物理场耦合模型对波动管进行流-固耦合仿真，生成波动管热应力数据以构建目标域数据集；

9、s6、根据步骤s4得到的源域热应力时频特征归一化预测模型，构建最小特征距离域适应方法；

10、s7、使用步骤s5得到的目标域热应力数据，基于步骤s6建立的最小特征距离域适应方法训练得到目标域热应力预测模型，实现目标域波动管热应力的精准预测。

11、优选地，步骤s1中，核电厂稳压器波动管仿真工况分别为：

12、100％ fp-90％ fp阶跃降负荷、90％ fp-100％ fp阶跃升负荷、40％ fp-30％fp阶跃降负荷、30％ fp-40％ fp阶跃升负荷、70％ fp-60％ fp阶跃降负荷、60％fp-70％ fp阶跃升负荷、100％ fp-30％ fp甩负荷以及100％ fp-15％ fp线性降负荷工况。

13、优选地，利用基于relap5的压水堆核电厂一回路系统仿真模型获取核电厂稳压器波动管在对应工况下的边界条件，包含流速、稳压器最下方节点压力、稳压器最下方节点温度、热管段节点压力以及热管段节点温度。

14、优选地，步骤s4中，热应力时频特征归一化预测模型包括：

15、频率特征提取模块，通过一维傅里叶离散化提取输入时间序列数据的相位和振幅特征，并通过拼接构成输入时间序列的频率特征；

16、时间特征提取模块，通过时间序列分解方法将输入热应力数据分解为趋势分组和剩余分组组成输入时间序列的时间特征；

17、可逆实例规范化模块，计算输入热应力序列的均值以及方差，使得时频特征归一化架构捕捉到训练数据之间的分布差异。

18、优选地，振幅a和相位p的提取过程如下：

19、

20、p(u)d＝atan2(im(x(u)d),re(x(u)d))

21、其中，u∈[0,t-1]，re、im为取频域x(u)d的实部和虚部；atan2为使用两个参数作为输入，t为时序数据点个数。

22、优选地，趋势分组的计算如下：

23、

24、剩余组成计算如下：

25、

26、其中，m＝2k+1，yt为序列数据，为序列数据yt在t时刻的趋势周期估计，j为计算趋势分组的当前序号，yt+j为序列数据yt在t+j时刻的值，为序列数据yt在t时刻的剩余组成。

27、优选地，输入热应力序列的均值以及方差具体为：

28、

29、其中，k为维度序号，且k∈[1,k]，为根据输入序列x(i)第k个维度计算得到的均值，为根据输入序列x(i)第k个维度计算得到的方差。

30、对输入热应力序列的实例规范化过程为：

31、

32、其中，为对输入序列x(i)第k个维度进行实例规范化后的结果，γk，βk为模型中的可学习参数，且ε为常数。

33、对预测值进行逆实例归一化过程为：

34、

35、其中，为通过输入热应力序列计算得到的均值和方差，为模型使用规范化后的序列作为输入得到的预测输出，为使用实例规范化步骤计算的均值和方差参数进行反规范化操作后得到的模型最终预测输出。

36、优选地，步骤s5中，修改的流体物性具体为流体粘度以及流体密度，流体密度增大30％，流体粘度减小30％。

37、优选地，步骤s7中，最小特征距离域适应方法中源域与目标域特征提取误差通过沃瑟斯坦距离进行度量，具体为：

38、

39、其中，为沃瑟斯坦距离，λ为对齐因子。

40、第二方面，本发明实施例提供了一种基于特征对齐域适应的稳压器波动管热应力预测系统，包括：

41、流体仿真模块，构建波动管几何模型并进行网格划分，根据核电厂稳压器波动管仿真工况的边界条件，使用fluent进行流体仿真获取流体温度和流速仿真结果；

42、第一数据模块，根据流体温度和流速仿真结果，对波动管壁面进行网格划分，并使用瞬态结构与fluent进行流-固耦合仿真，获取波动管壁面热应力仿真结果，在此基础上构建源域热应力数据集；

43、模型构建模块，构建源域热应力时频特征归一化预测模型，使用源域热应力数据集对其进行训练；

44、第二数据模块，基于无量纲分析对波动管内流体物性进行修改以模拟仿真环境和工程实际的差异，随后基于波动管多物理场耦合模型对波动管进行流-固耦合仿真，生成波动管热应力数据以构建目标域数据集；

45、域适应模块，基于训练好的源域热应力时频特征归一化预测模型和目标域热应力数据，利用最小特征距离域适应方法训练得到目标域热应力预测模型；

46、预测模块，利用训练好的目标域热应力预测模型，对目标域稳压器波动管热应力进行精准预测。

47、第三方面，一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于特征对齐域适应的稳压器波动管热应力预测方法的步骤。

48、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于特征对齐域适应的稳压器波动管热应力预测方法的步骤。

49、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

50、基于特征对齐域适应的稳压器波动管热应力预测方法，建立了稳压器波动管多物理场耦合模型，并基于此模型构建了波动管热应力数据集；提出了包含时频特征提取模块和可逆实例规范化模块的热应力预测方法，并在此基础上构建了基于最小特征距离域适应的稳压器波动管热应力预测模型，实现核电厂稳压器波动管当前及未来时刻热应力的精准预测，为可能出现的波动管疲劳失效提供预警参考；首次使用深度学习技术和特征对齐域适应方法实现核电厂稳压器波动管热应力的精准预测。

51、进一步的，使用流速、稳压器最下方节点压力、稳压器最下方节点温度、热管段节点压力以及热管段节点温度等五个边界条件作为时间序列训练数据中的五个特征维度，能够在最大程度衡量当前热应力数值的情况下简化模型输入特征数量。

52、进一步的，频率特征提取模块通过一维离散傅里叶变换提取输入热应力序列的频率特征，可以补充时间特征提取模块忽略的频率特征，增强了热应力预测模块的泛化能力。

53、进一步的，时间特征提取模块通过时间序列分解方法提取输入热应力序列的时间特征，能够更准确地捕捉到由于功率变化带来的热应力趋势变化特征。

54、进一步的，可逆实例化模块通过对输入热应力序列进行实例归一化以及对预测热应力序列进行反归一化使得热应力预测模型学习到热应力序列数据之间的分布差异，提高了热应力预测模型的泛化能力。

55、进一步的，通过对波动管内流体的粘度和密度物性进行修改，可以有效模拟仿真环境和工程实际的差异，以生成目标域热应力数据集。

56、进一步的，使用沃瑟斯坦距离衡量源域与目标域特征差异，该特征距离衡量方法与特征分布之间是否重叠无关，有效避免了因特征分布不重叠导致的特征距离计算失效问题。

57、进一步的，将热应力时频特征归一化预测模型拆分为特征提取器以及输出模块两个部分，既可以利用源域与目标域特征提取误差辅助目标域特征提取的训练，又能利用输出层预测输出的目标域数据与原目标域数据的误差纠正目标域热应力预测模型的实际预测误差。

58、进一步的，在域适应方法完成对目标域热应力预测模型的特征提取器以及输出层训练过程后，复用了步骤s4提出的热应力时频特征归一化预测模型，极大地简化了目标域热应力预测模型的构建流程。

59、可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

60、综上所述，本发明能够实现目标域波动管热应力的精准预测。

61、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.基于特征对齐域适应的稳压器波动管热应力预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于特征对齐域适应的稳压器波动管热应力预测方法，其特征在于，步骤s1中，核电厂稳压器波动管仿真工况分别为：

3.根据权利要求2所述的基于特征对齐域适应的稳压器波动管热应力预测方法，其特征在于，利用基于relap5的压水堆核电厂一回路系统仿真模型获取核电厂稳压器波动管在对应工况下的边界条件，包含流速、稳压器最下方节点压力、稳压器最下方节点温度、热管段节点压力以及热管段节点温度。

4.根据权利要求1所述的基于特征对齐域适应的稳压器波动管热应力预测方法，其特征在于，步骤s4中，热应力时频特征归一化预测模型包括：

5.根据权利要求4所述的基于特征对齐域适应的稳压器波动管热应力预测方法，其特征在于，振幅a和相位p的提取过程如下：

6.根据权利要求4所述的基于特征对齐域适应的稳压器波动管热应力预测方法，其特征在于，趋势分组的计算如下：

7.根据权利要求4所述的基于特征对齐域适应的稳压器波动管热应力预测方法，其特征在于，输入热应力序列的均值以及方差具体为：

8.根据权利要求1所述的基于特征对齐域适应的稳压器波动管热应力预测方法，其特征在于，步骤s5中，修改的流体物性具体为流体粘度以及流体密度，流体密度增大30％，流体粘度减小30％。

9.根据权利要求1所述的基于特征对齐域适应的稳压器波动管热应力预测方法，其特征在于，步骤s7中，最小特征距离域适应方法中源域与目标域特征提取误差通过沃瑟斯坦距离进行度量，具体为：

10.一种基于特征对齐域适应的稳压器波动管热应力预测系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种基于特征对齐域适应的稳压器波动管热应力预测方法，建立了稳压器波动管多物理场耦合模型，基于此模型构建8种典型工况的源域热应力数据集，以及体现波动管仿真数据和实际运行数据差异的目标域热应力数据集；提出了包含时频特征提取模块和规范化模块的热应力预测方法，实现对源域波动管热应力的精准预测；建立了基于最小特征域适应的波动管热应力预测模型，能够将仿真环境中累积的波动管热应力预测知识成功迁移应用于实际工程；本发明方法构建的稳压器波动管热应力预测模型能够避免传统热分析方法中热应力预测非实时、不具有泛化能力以及过度依赖数学建模和物理仿真问题，实现核电厂稳压器波动管当前及未来时刻热应力的精准预测。

技术研发人员：王鹏飞,龚辉俊,任秦龙
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23