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核动力装置总体参数最优化设计

作　者: 刘成洋
导　师: 阎昌琪
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 核能科学与工程
关键词: 核动力装置新型混合粒子群算法重量体积双目标有效效率优化设计
分类号: TL353
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

核动力装置因其具有良好的续航力，较大的推进功率，以及高能量密度和核裂变不需要氧气等优点，被广泛应用在船舶及航天工业上。为了包容放射性，核动力装置一回路还有许多辅助系统；由于二回路使用饱和蒸汽，汽轮机组重量体积大，系统热效率低。综上原因，导致整个动力装置笨重且经济性差。因此利用优化技术降低核动力装置的重量和体积并提高其有效效率，无疑具有重要的理论和现实意义。本文以核动力装置系统为研究对象，建立系统主要设备的数学模型，开发高效的智能优化算法，开展了以减小核动力装置重量、体积和提高核动力装置有效效率为目标的优化设计工作，主要内容如下：1、建立了蒸汽发生器、稳压器、主汽轮机和主冷凝器这4个核动力设备的物理和数学模型以及核动力装置热平衡计算数学模型，采用C#语言编制了各模型的评价程序。在给定一些参数的条件下，通过评价计算得到的计算结果与母型参数相比误差较小，验证了各评价程序的可靠性。2、针对本课题研究对象的多变量、多约束和非线性的特点，综合分析局部搜索能力强的复合形算法、全局搜索能力强的遗传算法和粒子群算法，开发了一种新型混合粒子群算法。新型混合粒子群算法采用可行性规则进行约束处理并对群体排序，改进了遗传算法的交叉机制，提高了复合形算法跳出局部最优的能力。最后利用国际上广泛使用的8个无约束测试函数、13个约束测试函数和3个工程优化问题对算法进行了测试。3、以蒸汽发生器、稳压器、主汽轮机和主冷凝器为例，探讨核动力装置中单个设备的优化设计过程。在蒸汽发生器的优化设计实例中，选取了一回路工作压力、二回路饱和蒸汽压力和蒸汽发生器传热管外径等7个参数为优化变量，利用新型混合粒子群算法进行寻优，分别获得了蒸汽发生器重量、体积和双目标优化方案。在蒸汽发生器单一设备优化的基础上，考虑部分堆芯约束，对蒸汽发生器和堆芯进行了耦合优化。对其余三个设备，同样进行敏感性分析，并各自选取优化变量，给出了重量、体积和双目标优化方案。4、针对某核动力装置，选取冷凝器压力、高压缸排汽干度和低压缸排汽干度作为优化变量，以反应堆功率和蒸汽发生器总蒸汽产量在某一范围内变化作为约束条件，利用新型混合粒子群算法对核动力装置有效效率进行优化，优化后有效效率提高了3.1571%。5、通过简化核动力装置系统，并结合小组其他成员编制的反应堆堆芯和反应堆压力容器评价程序，编制了核动力装置全系统评价程序。探讨了全系统各设备之间耦合关键因素，基于系统全局性考虑，选取一回路工作压力、反应堆出口冷却剂温度、反应堆进口冷却剂温度、二回路饱和蒸汽压力和冷凝器压力这5个参数作为优化变量，对核动力装置系统重量和体积进行寻优，并对优化结果进行了分析。6、开发了核动力装置优化设计系统软件。该软件可进行核动力装置评价，优化算法测试，单一核动力设备优化和系统级核动力装置优化工作。在编程处理上，采用了最新的并行计算技术，加快计算速度。软件还为后续设备模块预留接口，具有可移植性强、界面友好和操作简单的特点。软件适用于现有系统的改进论证计算，以及新型核动力装置的初步设计计算。本文完成了核动力装置优化过程中的数学模型建立、评价程序开发、优化算法改进、优化模型完善、优化算例计算、优化结果分析和优化软件开发工作。论文研究初步形成了比较完整的核动力装置总体参数最优化设计方法，是优化技术在核动力装置设计中的有益尝试，也为进一步的优化设计理论及应用研究奠定了良好的基础。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-14
第1章绪论  14-24
  1.1 引言  14-15
  1.2 优化设计问题的数学模型  15-17
    1.2.1 优化变量  15-16
    1.2.2 目标函数  16
    1.2.3 约束条件  16-17
  1.3 优化算法研究现状  17-21
    1.3.1 复合形法  17
    1.3.2 遗传算法  17-18
    1.3.3 粒子群优化算法  18-20
    1.3.4 混合算法  20-21
  1.4 核动力装置优化设计研究现状  21-23
    1.4.1 国外研究现状  21
    1.4.2 国内研究现状  21-23
  1.5 本章小结  23-24
第2章核动力装置数学模型及评价程序  24-50
  2.1 蒸汽发生器数学模型  24-30
    2.1.1 热力计算  24-26
    2.1.2 水动力计算  26-27
    2.1.3 结构设计  27
    2.1.4 强度计算  27-28
    2.1.5 重量计算  28-29
    2.1.6 体积计算  29-30
  2.2 稳压器数学模型  30-34
    2.2.1 容积计算  30-33
    2.2.2 强度计算  33
    2.2.3 重量计算  33-34
  2.3 主汽轮机数学模型  34-39
    2.3.1 确定正车汽轮机主要参数  34-36
    2.3.2 高压汽轮机初步设计  36
    2.3.3 低压汽轮机初步设计  36-37
    2.3.4 倒车汽轮机初步设计  37
    2.3.5 主汽轮机外形尺寸计算  37-38
    2.3.6 主汽轮机重量体积计算  38-39
  2.4 主冷凝器数学模型  39-42
    2.4.1 传热计算  39-41
    2.4.2 阻力计算  41
    2.4.3 重量尺寸计算  41-42
  2.5 核动力装置热平衡计算数学模型  42-45
  2.6 核动力装置评价程序  45-49
    2.6.1 核动力装置评价程序流程图  45-48
    2.6.2 评价程序可靠性验证  48-49
  2.7 本章小结  49-50
第3章优化算法的原理及改进  50-66
  3.1 复合形算法  50-53
    3.1.1 复合形算法的基本步骤  50-51
    3.1.2 改进复合形算法  51-53
  3.2 遗传算法  53-56
    3.2.1 遗传算法运算过程  53-54
    3.2.2 遗传算法的不足  54
    3.2.3 改进遗传算法  54-56
  3.3 粒子群优化算法  56
  3.4 新型混合粒子群算法  56-64
    3.4.1 算法混合机理  57
    3.4.2 可行性判断规则  57-58
    3.4.3 新型混合粒子群算法流程  58
    3.4.4 新型混合粒子群算法测试  58-64
  3.5 本章小结  64-66
第4章核动力设备和热力循环的参数优化设计  66-96
  4.1 反应堆堆芯敏感性分析  66-67
  4.2 蒸汽发生器优化设计  67-75
    4.2.1 优化变量  67-68
    4.2.2 目标函数  68
    4.2.3 约束条件  68-69
    4.2.4 蒸汽发生器单参数敏感性分析  69-72
    4.2.5 蒸汽发生器重量、体积和双目标优化结果  72-75
  4.3 稳压器优化设计  75-82
    4.3.1 优化变量  76
    4.3.2 目标函数  76
    4.3.3 约束条件  76-77
    4.3.4 稳压器单参数敏感性分析  77-79
    4.3.5 稳压器重量、容积和双目标优化结果  79-82
  4.4 主汽轮机优化设计  82-86
    4.4.1 优化变量  82
    4.4.2 目标函数  82
    4.4.3 约束条件  82-83
    4.4.4 主汽轮机单参数敏感性分析  83-85
    4.4.5 主汽轮机重量、体积和双目标优化优化结果  85-86
  4.5 主冷凝器优化设计  86-91
    4.5.1 优化变量  86-87
    4.5.2 目标函数  87
    4.5.3 约束条件  87
    4.5.4 主冷凝器单参数敏感性分析  87-89
    4.5.5 主冷凝器重量和体积优化结果  89-91
  4.6 核动力装置热力循环优化设计  91-94
    4.6.1 优化变量  91
    4.6.2 目标函数  91-92
    4.6.3 约束条件  92
    4.6.4 核动力装置有效效率单参数敏感性分析  92-93
    4.6.5 核动力装置有效效率优化结果  93-94
  4.7 本章小结  94-96
第5章核动力装置系统的参数优化设计  96-118
  5.1 核动力装置系统的优化设计建模  96-102
    5.1.1 优化变量  96-99
    5.1.2 目标函数  99-100
    5.1.3 约束条件  100-102
  5.2 核动力装置系统的评价程序和敏感性分析  102-107
    5.2.1 系统评价程序  102-103
    5.2.2 系统敏感性分析  103-107
  5.3 核动力装置系统的重量、体积和双目标优化  107-111
    5.3.1 核动力装置系统的单变量优化  107-108
    5.3.2 核动力装置系统的多变量优化  108-111
  5.4 核动力装置优化设计系统软件  111-117
    5.4.1 软件简介  111
    5.4.2 基本界面  111-117
  5.5 本章小结  117-118
结论、创新点及展望  118-122
参考文献  122-134
附录 A 无约束优化测试函数  134-136
附录 B 约束优化测试函数  136-140
附录 C 工程约束优化问题  140-144
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  144-146
致谢  146

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