何澤鴻 葉民友 王忠偉 毛世峰 徐 坤

1（中國科學技術(shù)大學 核科學技術(shù)學院 合肥 230027）

2（中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230027）

MCNP與后處理軟件耦合應用程序開發(fā)

何澤鴻1葉民友1王忠偉2毛世峰1徐 坤1

1（中國科學技術(shù)大學 核科學技術(shù)學院 合肥 230027）

2（中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230027）

中子通量密度分布和核熱分布計算是聚變堆設計過程中至關(guān)重要的一環(huán)，其代表性計算軟件是基于蒙特卡羅方法的MCNP程序，但計算結(jié)果不能直接導入后處理軟件Ensight、Paraview、ANSYS等作分析處理。為此開發(fā)一款耦合應用程序支持MCNP計算結(jié)果數(shù)值邏輯操作和到各種后處理軟件格式轉(zhuǎn)換，以提升相關(guān)人員對MCNP數(shù)據(jù)分析效率。

蒙特卡羅方法，后處理，Ensight，ANSYS，Paraview，MCNP

MCNP[1]是美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發(fā)的一款基于蒙特卡羅方法的粒子運輸程序，可以計算復雜三維幾何結(jié)構(gòu)的中子、光子、電子或耦合粒子的運輸問題。它幾何適應性好，可以真實模擬物理問題。如用于熔鹽堆不同堆芯邊界下的物理研究[2]、中子屏蔽材料的屏蔽性能模擬[3]等，其結(jié)果與實際十分符合，所以在輻射屏蔽設計優(yōu)化、反應堆設計、（次）臨界裝置實驗法等領(lǐng)域應用十分廣泛。

MCNP作為聚變堆工程設計中子學和核熱分布計算代表性軟件，其計算結(jié)果存在以文本形式輸出、數(shù)據(jù)量極大、人工直接分析效率低和不直觀等問題。

同時，在聚變堆設計過程中，相關(guān)設計分析人員不僅需要對MCNP計算結(jié)果數(shù)據(jù)直接進行提取分析，也需要對其計算結(jié)果導入到相關(guān)分析軟件，使MCNP計算體素模型和聚變堆幾何模型進行結(jié)合[4?5]，繼而將MCNP模擬計算結(jié)果轉(zhuǎn)化為設計指導意見。

為此依托中國科學技術(shù)大學核學院“2014年國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項”中《CFETR設計軟件的集成及堆芯參數(shù)的優(yōu)化》課題，以微軟公司的Visual Studio 2010作為程序開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，C/C++作為開發(fā)語言，在該項目平臺下開發(fā)MCNP到后處理軟件相關(guān)接口模塊。程序可以封裝為相關(guān)類作為平臺可調(diào)用功能模塊之一，同時也作為單獨可執(zhí)行耦合應用程序提供相關(guān)分析人員使用，以提高相關(guān)聚變堆工程設計效率。

本文首先介紹程序的總體框架設計，其次闡述各個功能模塊，再次介紹相關(guān)功能應用案例。在編碼完成后，先采用白盒測試方法完成代碼調(diào)試，再通過編譯器生成相關(guān)可執(zhí)行文件，然后讀取MCNP輸出計數(shù)實例文件進行功能測試。本測試樣例采用中國聚變工程試驗堆(China Fusion Engineering Test Reactor, CFETR)中子學分析基準模型內(nèi)部分區(qū)域的MCNP模擬計算結(jié)果，通過程序轉(zhuǎn)換后導入后處理軟件，與CAD模型相結(jié)合分析或單獨直接可視化處理，籍此提高MCNP結(jié)果數(shù)據(jù)的分析效率。最后對工作進行總結(jié)和展望。

1 程序總體框架設計

1.1 程序/代碼架構(gòu)

MCNP與后處理軟件耦合應用程序目標在于提供MCNP計算結(jié)果到各種后處理軟件分析的橋梁，以提高工程設計效率。在整個程序設計中，按照現(xiàn)代軟件工程[6]的開發(fā)要求，采用針對數(shù)據(jù)處理的“輸入-加工-輸出”(Hierarchical Input Process Output, HIPO)結(jié)構(gòu)化分析方法，進行程序框架設計。其基本思路在于，首先將表達問題中的信息、數(shù)據(jù)的變換和傳遞過程以數(shù)據(jù)流圖的形式加以表示，然后確定系統(tǒng)整體的數(shù)據(jù)流模型。

最后，以數(shù)據(jù)流圖代表整個數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)，按照數(shù)據(jù)流圖分解和抽象工作的步驟，將數(shù)據(jù)流模型映射為相關(guān)軟件結(jié)構(gòu)模塊，即將數(shù)據(jù)傳送駐留節(jié)點設計為相關(guān)程序模塊。為此，依照數(shù)據(jù)流圖(圖1)，程序可設計為4個主要功能模塊：(1) MCNP計算結(jié)果數(shù)據(jù)讀入與存儲；(2) MCNP計數(shù)結(jié)果邏輯操作；(3) MCNP計算結(jié)果與Paraview、Ensight耦合；(4) MCNP計算結(jié)果與ANSYS耦合。

圖1 以數(shù)據(jù)流形式表現(xiàn)的程序架構(gòu)Fig.1 Data stream of the application architecture.

1.2 直角坐標MCNP計算結(jié)果分析與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設計

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)在計算機存儲組織形式，是計算機可以直接識別的基本和重要對象。對于以數(shù)據(jù)流形式分層設計的本程序，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設計直接影響到前面文件讀入，中間數(shù)據(jù)邏輯操作，后面的數(shù)據(jù)輸出功能模塊設計。

按上述的數(shù)據(jù)流模型，在程序前端，MCNP計算結(jié)果讀入內(nèi)存后，需要設計相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行存儲。為此首先需將直角坐標系MCNP計算結(jié)果文件的物理結(jié)構(gòu)映射為相關(guān)計算機存儲的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

從物理意義角度看，MCNP輸出的網(wǎng)格計數(shù)類型Meshtal文件（下稱計數(shù)文件），是由一個經(jīng)用戶創(chuàng)建的稱為INP的輸入文件卡片經(jīng) MCNP 計算得到的文本數(shù)據(jù)結(jié)果，里面含有三維空間離散后網(wǎng)格幾何信息和不同入射能量粒子信息，并且包含每一個網(wǎng)格單元某物理量（如中子通量密度）的統(tǒng)計平均值。第一部分“X direction，Y direction，Z direction”為網(wǎng)格幾何的坐標信息，代表體素[7]空間的幾何信息，“Energy bin boundaries”為粒子的能量信息，代表不同的能量粒子，下面逐行“X，Y，Z，Result，Error”代表每個在笛卡爾坐標系下劃分不同網(wǎng)格單元的中心坐標信息、物理屬性信息和計算誤差值。

從計算機數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設計角度看，可以將網(wǎng)格幾何每一行數(shù)據(jù)看做一個浮點數(shù)行鏈表(vector＜float＞)，網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)每一行看做一個整體元祖(Tuple)數(shù)據(jù)，從上往下看成元祖延展的列鏈表。

C++中STL模板類[8]提供了豐富可直接使用存儲數(shù)據(jù)的容器，可以使用vector＜float＞模板對象存儲計數(shù)文件網(wǎng)格幾何數(shù)據(jù)。利用元祖(Tuple)存儲行數(shù)據(jù)，vector容器（單元為元祖）存儲整個計數(shù)文件網(wǎng)格單元行信息，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為vector＜tuple＜string,float,float,float,float＞＞。

1.3 MCNP計數(shù)文件數(shù)據(jù)邏輯操作

MCNP計算輸出的計數(shù)文件所含信息隨輸入控制文件而改變，計數(shù)文件大體可劃分兩種特性類型：一是計數(shù)文件可能有多種粒子計算結(jié)果，例如一個計數(shù)文件同時含有中子、光子的模擬結(jié)果；二是相同幾何區(qū)域MCNP模擬的中子、光子等粒子計數(shù)結(jié)果分布不同計數(shù)文件下。

分析人員對MCNP計數(shù)文件內(nèi)數(shù)據(jù)操作的功能需求也多樣化，常常需要對計數(shù)文件內(nèi)的網(wǎng)格單元的計算結(jié)果進行相關(guān)數(shù)學邏輯操作。例如做熱分析人員需要計算全部粒子對一個空間的核熱總分布值，但是對于相同網(wǎng)格幾何計數(shù)文件，各個粒子計算結(jié)果分布于不同文件下，程序需要將相同網(wǎng)格幾何下不同粒子計數(shù)文件的核熱數(shù)據(jù)進行疊加。同時也可能是對于不同粒子計算統(tǒng)計誤差取均方根或均值，或?qū)Χ嗔Ｗ訌秃嫌嫈?shù)文件分解為單粒子的文件，以單獨提取各個粒子物理計算信息、誤差信息等。

為此程序開發(fā)相關(guān)數(shù)據(jù)邏輯操作功能：計算結(jié)果的疊加、取平均值、對計算結(jié)果進行乘以某一個運算系數(shù)、或?qū)秃系挠嫈?shù)文件進行分解等，以滿足分析人員功能性需求。

1.4 MCNP計算結(jié)果與Paraview/Ensight耦合

1.4.1 模塊功能需求背景

聚變堆工程設計中MCNP模擬計算數(shù)據(jù)量動輒幾十兆，網(wǎng)格數(shù)量少則數(shù)萬，多則百萬級別，對人員大數(shù)據(jù)分析能力要求較高。面對瀚海數(shù)據(jù)，分析人員也可能丟失潛在重要信息，若通過人工方法分析某一局部數(shù)據(jù)，也很難從整體把握數(shù)據(jù)場分布。

為此，MCNP計算結(jié)果分析很長時間內(nèi)其只能應用在簡化的二維計算模型上。

隨著計算方法的進步和計算機性能的提升，三維中子學計算成為主流，模型中包含的結(jié)果越來越豐富，審視如此大的數(shù)據(jù)量將消耗很多的時間和精力。在聚變能事業(yè)快速發(fā)展的背景下，迫切需要發(fā)展一種能直觀快速分析中子學計算結(jié)果的手段，將Paraview或Ensight數(shù)據(jù)后處理分析軟件應用在MCNP計算結(jié)果的可視化[9]上就可以很好地滿足這種需求。

1.4.2 設計思路

Paraview和Ensight都是可對二維和三維數(shù)據(jù)進行分析和可視化的后處理軟件，兩者功能相近，前者是開源免費軟件，基于VTK (Visualization toolkit)開發(fā)，可以直接使用，后者則是一款商業(yè)軟件。Ensight對于較大數(shù)據(jù)規(guī)模比Paraview更有優(yōu)勢。同時兩者可識別的數(shù)據(jù)文件格式很多是可以通用，如XML、TSC2文件等。MCNP中子學計算結(jié)果經(jīng)過程序轉(zhuǎn)換后，兩者都可以用于其可視化分析和后處理。下面以VTK作為中間層編寫到Paraview和Ensight的轉(zhuǎn)換函數(shù)。

VTK[10]是一個開放資源的免費軟件系統(tǒng)（庫），它的內(nèi)核是用C++構(gòu)建，主要用于三維計算機圖形學、圖像處理和可視化。且VTK包含大量各種數(shù)據(jù)格式輸出接口類，支持各種格式的文件輸入輸出，自然也提供Paraview和Ensight可識別的格式接口支持。

為此將MCNP對Paraview和Ensight的接口模塊開發(fā)合并與一起。在MCNP計數(shù)文件讀入內(nèi)存處理完畢后，利用VTK提供相關(guān)輸出格式接口類vtkXMLWriter、vtkEnsightWriter等，分別二次封裝成相應輸出函數(shù)(圖2)，將讀取的網(wǎng)格幾何數(shù)據(jù)和網(wǎng)格單元屬性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并輸出相關(guān)可識別文件。

1.4.3 功能驗證/效果圖

在功能驗證部分，采用黑盒測試方式，首先對程序輸入輸出進行接口測試。在代碼通過調(diào)試后，再采用相關(guān)中國聚變工程設計堆中子學分析基準模型(圖3)和工程設計CAD模型(圖4)進行程序轉(zhuǎn)換功能驗證。

圖2 VTK與Ensight (Paraview)Fig.2 VTK to Ensight (Paraview).

圖3 中子學分析模型Fig.3 Neutron analysis model.

圖4 CAD設計模型Fig.4 CAD design model.

中子學分析模型和CAD設計模型為不同文件，前者僅用于MCNP模擬計算，后者則是工程設計文件，可直接導入Paraview/Ensight等后處理軟件。

由于中國聚變工程設計堆中子學分析基準模型尺寸較大，整個模型進行MCNP中子學計算或核熱計算時間過于漫長，普通PC電腦硬件平臺資源也無法支撐如此巨大計算量。為此僅截取模型的部分區(qū)域模塊（圖3中的兩個框），區(qū)域1通過MCNP做中子通量密度分布模擬計算，區(qū)域2通過MCNP做核熱分布模擬計算，然后得到計數(shù)文件1（中子通量密度分布）和計數(shù)文件2（核熱分布）。

在此驗證部分，程序轉(zhuǎn)換計數(shù)文件1后導入Paraview/Ensight采取與CAD模型結(jié)合分析方式(圖5)。

圖5 計數(shù)文件加載于ParaviewFig.5 Count files loaded on Paraview.

先使用程序?qū)⒂嫈?shù)文件1轉(zhuǎn)換為相應格式，然后將轉(zhuǎn)換后文件和中國聚變工程試驗堆的CAD模型(圖4)都導入Paraview/Ensight，并設置相關(guān)數(shù)值到顏色的映射，最后可以直觀反映出所選取區(qū)域1(圖3)的中子通量密度在CAD模型中的分布(圖5)。通過區(qū)域顏色趨勢分布的觀察，設計人員可以了解MCNP模擬計算是否符合預期。若將整個中子學設計模型分成多個區(qū)域，單獨做中子學MCNP模擬計算，通過程序轉(zhuǎn)換導入Paraview/Ensight，則可以看出三維空間整個幾何模型的中子通量密度或其他物理量整體分布，這樣可視化效果更佳，對工程指導意義更大。

1.5 MCNP計算結(jié)果與ANSYS耦合

1.5.1 模塊功能需求背景

在聚變堆包層的設計中研究領(lǐng)域包括材料科學、中子物理、熱工水力與安全、電磁學等，其中包層設計很多工程中復雜真實的物理系統(tǒng)幾何和載荷工況都可以依賴有限元分析[11]方法求解。其中具有代表性有限元分析ANSYS軟件，在聚變堆工程設計中核熱分析、應力分析[12]和數(shù)值模擬分析等方面有十分重要應用基礎(chǔ)。

MCNP幾何柵元模擬計算是體素空間宏觀整體的結(jié)果，但工程設計中的幾何模塊比較復雜，MCNP計算結(jié)果中部件幾何細節(jié)信息會丟失，如果可以對MCNP幾何柵元進行進一步細化，則可以更好模擬出各種物理量分布結(jié)果。

ANSYS可以對網(wǎng)格幾何柵元進行更進一步細化分析。對此，利用MCNP對模型幾何柵元進行體素空間宏觀數(shù)值模擬，設置相關(guān)邊界條件參數(shù)，再應用于ANSYS以有限元辦法對幾何柵元進行細化二次分析，可以更加真實模擬出包層設計模型中核熱等物理量分布。

1.5.2 設計與驗證

由于ANSYS可以支持列表類型的TXT文本文件輸入，為此MCNP計算結(jié)果到ANSYS耦合部分可以利用C++標準庫中輸入輸出函數(shù)和類，單獨編寫ANSYS可識別列表文件輸入函數(shù)AnsysWriter。

在此驗證部分，程序轉(zhuǎn)換計數(shù)文件2后導入ANSYS直接做可視化分析處理。

選取前面所述中國聚變工程試驗堆中子學標準分析模型(圖3)區(qū)域2（背板-屏蔽層-真空室(圖6)），通過MCNP做熱載荷的分布計算，得到輸出計數(shù)文件2，然后將計數(shù)文件2通過程序轉(zhuǎn)換后導入ANSYS，并且設定邊界條件和參數(shù)，得到相關(guān)驗證圖。

圖6 MCNP計算核熱網(wǎng)格區(qū)域放大圖Fig.6 MCNP calculation grid area enlargement of thermal distribution.

加載到ANSYS(圖7、8)后，可以直觀看出核熱的區(qū)域分布效果(圖9)，設計人員將預測分布結(jié)果與ANSYS可視化效果進行對比，可以更加準確確定中國聚變工程試驗堆設計部件尺寸、材料等各種參數(shù)是否合理，進一步優(yōu)化設計方案。

圖7 導入ANSYS效果圖示Fig.7 Import ANSYS results illustrated.

圖8 ANSYS對網(wǎng)格細化Fig.8 Mesh refinement by ANSYS.

圖9 ANSYS分析區(qū)域核熱分布Fig.9 Analysis of thermal distribution by ANSYS.

2 結(jié)語

通過開發(fā) MCNP與后處理軟件耦合應用程序，不僅可以將MCNP計算的中子通量和核熱分布等結(jié)果以直觀的可視化形式展示出來，也可以與聚變堆CAD模型疊加顯示[13]，從而克服中子學簡化模型難以反映實際結(jié)構(gòu)的缺點。若在與三維立體[14]虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)配合使用時，具有非常好的視覺效果，能極大地提高了審視MCNP結(jié)果數(shù)據(jù)的效率，為分析研究聚變堆內(nèi)中子的分布規(guī)律和快速做出設計決策提供了有效的軟件工具。目前程序已經(jīng)實現(xiàn)MCNP計算結(jié)果網(wǎng)格數(shù)據(jù)邏輯操作和到后處理軟件Paraview、Ensight、ANSYS接口轉(zhuǎn)換功能，同時通過大量樣例測試，并且預留相關(guān)接口用于日后到Fluent、CFX等軟件轉(zhuǎn)換功能開發(fā)。程序既可以封裝為相關(guān)類，以作為總體項目《CFETR設計軟件的集成及堆芯參數(shù)的優(yōu)化》平臺一個功能模塊，也可以單獨作為一個獨立應用程序給以相關(guān)人員使用，為相關(guān)MCNP模擬計算到實際工程設計決策提高有效工具支持。

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CLC TL32

MCNP coupled with post-processing software application development

HE Zehong1YE Minyou1WANG Zhongwei2MAO Shifeng1XU Kun1
1(School of Nuclear Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)
2(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230027, China)

Background: Neutron flux and thermal distributed computing are vital parts of the process of nuclear fusion reactor design, its representative calculation software MCNP is based on the Monte Carlo method. However, the output of MCNP is a text file, thus the results are not conveniently and visually represented by manual analysis, and cannot be directly imported into post-processing software such as Ensight, Paraview and ANSYS for processing. Purpose: In order to enhance the efficiency of data analysis of MCNP output, a coupling program between the MCNP and post-processing software is proposed and implemented in this paper. Methods: The Microsoft Visual Studio 2010 (VS2010) is taken as a development platform, the coupling program is developed using C/C++ programming language to perform numerical/logic operations and various kinds of data format conversion required by post-processing software such as Ensight, Paraview and ANSYS, etc. Results: The coupling program was tested via “while-box”method, logical operations of MCNP calculation results, and data format conversion of MCNP data file processed by this program are satisfied for the requirement of the post-processing software for visual analysis. Conclusion: It provides effective support tools that bridge the connection between MCNP and the post-processing software for practical engineering design.

Monte Carlo, Post-processing, Ensight, ANSYS, Paraview, MCNP

TL32

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.060601

No.11375191)、CFETR設計軟件的集成及堆芯參數(shù)的優(yōu)化(No.2014GB110000)資助

何澤鴻，男，1989年出生，中國科學技術(shù)大學核科學與技術(shù)學院研三，研究領(lǐng)域為核科學與核技術(shù)

葉民友，E-mail: yemy@ustc.edu.cn

2015-03-31，

2015-04-17