[发明专利]一种基于非关联多级空间分割树的蒙特卡罗面片几何处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于计算机辅助建模(CAD)的复杂装置蒙特卡罗粒子输运建模的几何处理方法，特别是一种基于非关联多级空间分割树的蒙特卡罗面片几何处理方法。

背景技术

高保真数值模拟在核系统设计优化与安全评估中起到越来越重要的作用，例如：先进反应堆的设计、现有反应堆延寿、减少核废料与提高燃料利用率、全过程安全评估等，随着社会对核能安全的关注及新型核能系统的发展，高保真数值模拟的需求的迫切性日益突出。

对于核系统的高保真模拟，相比于确定论方法，蒙特卡罗方法具有处理复杂问题、计算精度高等显著优势。但是一般核能系统，特别是热核聚变反应堆这样的装置，其部件具有大量样条曲面，难以直接转换为传统构造几何描述的蒙特卡罗几何，而以面片几何为代表的几何可以便捷地表示这些曲面几何。但面片几何计算效率较构造几何速度慢1～2个量级、难以实用化。

现有蒙特卡罗几何处理方法中，生成的空间分割树均应用于单一的面片几何模型或者构造几何模型中，无法充分利用构造几何模型与面片几何模型的优势，难以进一步提升蒙特卡罗几何建模、计算的效率。

发明内容

为解决基于面片的任意几何蒙卡描述方法的计算效率问题，本发明提供一种基于非关联多级空间分割树的蒙特卡罗面片几何处理方法，一方面提供了双层快速粒子射线追踪与定位能力，一方面能够在一个几何模型中使高效的构造实体几何与面片几何共存，能够表达任意蒙卡几何，并显著提升基于面片的蒙特卡罗几何的计算效率，使之达到传统构造几何类似的计算效率，实现任意形状蒙特卡罗几何的计算实用化。

本发明技术解决方案：

本发明为一种基于非关联多级空间分割树的蒙特卡罗面片几何处理方法；其中使用了一种非关联多级空间分割树格式保存非关联多级空间分割树；在该几何处理方法中通过一种针对面片模型的多层空间分割树下的蒙卡粒子快速追踪方法应用非关联多级空间分割树进行蒙特卡罗计算加速。

步骤(1)、对蒙卡计算几何模型，将其中的无法用构造实体几何体描述的几何体转换为面片几何体；

步骤(2)、对整个蒙卡计算空间进行迭代分割生成几何体级空间分割树，直到所有叶子节点中包含的几何体数量小于预定值；

步骤(3)、对模型中每一个面片几何体，对几何体包围盒形成的子空间进行迭代分割生成面片级空间分割树，直到所有叶子节点中包含的面片数量少于预定值；

步骤(4)、将几何体级空间分割树和面片级空间分割树组合形成非关联多级空间分割树，以一种非关联多级空间分割树格式保存于文件中，在蒙特卡罗粒子轨迹追踪计算中，首先读取非关联多级空间分割树格式的文件获取非关联多级空间分割树，然后采用一种多级空间分割树下针对面片几何体的蒙卡粒子追踪方法进行快速蒙特卡罗粒子追踪。

描述了几何模型级与面片级空间分割树，此外，如果几何体之间有嵌套，如反应堆组件内有燃料棒，燃料棒内有多层结构的情况，几何体上除了其面片的空间分割树，还需要建立嵌套几何的空间分割树，如此便会形成多于两层的多层空间分割树。

非关联多级空间分割树格式，该几何保存格式不仅包括保存为文件的格式，也包括在计算机内存中的格式：

该非关联多级空间分割树格式包括三个部分，几何信息部分、几何体级空间分割树部分和面片级空间分割树部分。

(1)几何信息部分：整体几何模型由n个几何实体集合S＝{s₁,s₂,...s_n}，其中如果几何体s_i为面片几何体，则几何体由n_i个三角面片组成的面片集合组成，每个三角面片由三个顶点以及朝向几何体外侧的法向量信息组成；其中非面片的几何体的格式为蒙卡程序本身的几何格式或其他构造实体几何格式，无特殊要求；

(2)几何体级空间分割树：蒙卡计算模型仅包含一棵几何体级空间分割树，它由一组m个长方体子空间集合B＝{b₁,b₂,...b_m}以及子空间之间的父子关系集合R＝{(b_i,b_j)}组成，其中每一项(b_i,b_j)表示b_i为b_j的子节点，该空间分割树的根节点b₀为整个蒙卡计算空间，即树中节点的子节点代表节点被划分成的若干子空间。在树中叶子节点记录其代表的子空间b_i满足叶子节点中记录其包含的几何体集合