Опыт
НИЯУ МИФИ в разработке и использовании программных средств
визуализации в учебном процессе в области ядерных энергетических установок
Г. Тихомиров, И. Сальдиков, Е. Маликова, Л. Кученкова, В. Пилюгин
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Россия
tgera@mail.ru, saldoz@ya.ru, e_mal@inbox.ru, pilyugin@sv-journal.com
Оглавление
Прикладная программа визуального анализа поля энерговыделения Reactor Q-Visual
Прикладные программы визуальной иллюстрации процесса выполнения лабораторных работ.
Аннотация
В данной статье рассмотрен опыт совместных работ кафедры "Теоретической и экспериментальной физики ядерных реакторов" и учебно-научной лаборатории «Научная визуализация» Национального Исследовательского Ядерного Университета МИФИ в области разработки программных средств визуального анализа результатов и визуальной иллюстрации процесса выполнения лабораторных работ и изучения теоретического материала лекций в области ядерных энергетических установок ( на примере лабораторной работы на уран-водной подкритической сборке , целью которой является измерение пространственных распределений плотности потока нейтронов и лекций в рамках курсов «Экспериментальная физика ядерных реакторов» и «Теория переноса нейтронов»). Приведено краткое описание разработанный прикладных программ визуального анализа и иллюстрации и используемых при их разработке компонент комплекса средств научной визуализации. Приведены примеры результатов визуального анализа поля энерговыделения, полученные с помощью разработанных программных средств и результаты работ програм визуальной иллюстрации.
Ключевые
слова: научная визуализация,
ВВЭР-1000, учебный процесс, прикладные программы визуализации
В настоящее время кафедра "Теоретической и экспериментальной физики ядерных реакторов" и учебно-научная лаборатория «Научная визуализация» НИЯУ МИФИ совместно проводят работы в области разработки программных средств визуального анализа результатов экспериментов и визуальной иллюстрации процесса выполнения лабораторных работ в области ядерных энергетических установок. Разработка программных средств осуществляется на базе комплекса инструментальных программных средств научной визуализации и включает в себя помимо разработки прикладных программ визуализации апробацию этих прикладных программ в ходе разработки лабораторных работ.
Вышеупомянутый комплекс инструментальных программных средств научной визуализации представляет собой совокупность автономно и совместно используемых программных продуктов VTK [1], 3ds Max [2], HyperFun [3], Jmol апплет [4], Cortona3D Viewer [5] и их функциональных расширений (FE)[6].
В данной работе будут рассмотрены прикладные программы, написанные на базе 2-х программных продуктов: 3ds Max и VTK
Прикладная программа визуального анализа поля энерговыделения Reactor
Q-Visual
Охарактеризуем кратко прикладную программу визуального анализа поля энерговыделения в активной зоне реактора ВВЭР-1000, Reactor Q-Visual, разработанную на базе VTK.
VTK является специализированным инструментарием, предназначенным для решения задач научной визуализации, и представляет собой широкий набор функциональных процедур визуализации. Написание программ визуализации на базе VTK возможно с использованием таких языков как С++, Java, Pyton, Tcl и др.
Важной задачей является визуальное представление поля энерговыделения в объеме активной зоны реактора для выявления «горячих» точек и подтверждения симметричности данного поля. Применение средств визуализации при контроле энергораспределения способствует повышению безопасности эксплуатации ядерного реактора.
Геометрическая
модель разбиения активной зоны на трехмерные фрагменты для визуализации в
программе Reactor Q-Visual. представляет собой набор призм. Сечение призмы
равно сечению ТВС реактора, а высота призмы равна 1/16 от высоты ТВС. Всего в
модели имеется 163*16 призм, каждая из которых имеет свои нейтронно-физические
свойства. В данной работе рассматривалось только относительные значения поля
энерговыделения для каждой призмы (среднее значение энерговыделение в призме
равно 1). Информация о положении всех ТВС в пространстве и о значении
энерговыделения в каждой из этих ТВС хранится в специальном текстовом файле,
предоставленным кафедрой «Теоретической и экспериментальной физики ядерных
реакторов» НИЯУ МИФИ. Структурная схема данного файла представлена на рис.1.
Рис.1. Часть файла
с информацией о положении ТВС в пространстве
и о значении энерговыделения в каждой из этих ТВС.
Условные обозначения:
x y z - координаты центра ТВС (шестигранная призма: размер под ключ - 24,1 см, высота - 22,2 см);
N - номер
ТВС в АЗ;
NS - номер
призмы по высоте;
Q - значение
относительного энерговыделения.
Данная программа позволяет визуализировать поле энерговыделения в активной зоне реактора.
Пользователь имеет возможность
- изменять диапазон значений поля энерговыделения. Для этого при запуске программы необходимо ввести диапазон значений, например значения от 0.9 до 1.4. Таким образом, программа визуализирует только те призмы, которые имеют значения, лежащие в заданном диапазоне.
- регулировать отображение слоев ТВС, т.е. проводить разрез, в результате которого пользователь видит только те призмы, которые находятся за секущей плоскостью. На оси z выводится значение высоты слоя ТВС (рис.2).
Программа предусматривает также отображение номеров ТВС и шкалы значений поля энерговыделения в выбранном при запуске программы диапазоне (цветом выделены призмы с соответствующими значениями) (рис.2).
Результатом работы
этой программы является проекционное графическое изображение призм. Пример
такого изображения показан на рис.2.
Рис.2. Окно
программы с отображением трёхмерных моделей ТВСс
цветовой подсветкой значения относительного энерговыделения.
Программа визуализации поля энерговыделения используется в качестве иллюстративного материала поля энерговыделения реактора ВВЭР-1000 на лекциях в НИЯУ МИФИ на кафедре «Теоретической и экспериментальной физики ядерных реакторов» в рамках курсов «Экспериментальная физика ядерных реакторов» и «Теория переноса нейтронов», которые читаются для студентов групп Ф6-01н, Ф7-01А, Ф8-01, Ф8-02, Ф8-02А. Созданные интерактивные трехмерные модели помогают студенту лучше понять расположение наиболее энергонапряженных ТВС в реакторах ВВЭР-1000. Также программа визуализации поля энерговыделения может быть использована для визуального анализа данных, полученных из файла расчёта поля энерговыделения для быстрого поиска наиболее энергонапряженных ТВС и создания общего представления о распределении энерговыделения в реакторах ВВЭР.
Прикладные
программы визуальной иллюстрации процесса выполнения лабораторных работ.
Охарактеризуем кратко прикладные программы визуальной иллюстрации процесса выполнения лабораторных работ, разработанные в среде 3ds Max.
Написание программ визуализации в среде 3ds Max возможно с использованием 2-х языков программирования: С++ и Maxscript.
Для написания прикладных программ визуализации на базе 3ds Max предусмотрен специальный скриптовый язык – Maxscript. На языке MaxScript можно также писать плагины, которые, в свою очередь, могут использовать ранее написанные плагины. Язык Maxscript - язык программирования, созданный специально для работы в среде 3ds Max, он имеет более простую структуру и синтаксис, нежели C++. Этот интерпретируемый язык не требует в отличие от C++ компиляции и сборки исходного кода. Это достоинство сопровождается вытекающим из него недостатком – программа выполняется более медленно, нежели аналогичная программа на C++.
Целью разработки прикладных программ визуальной иллюстрации процесса выполнения лабораторных работ являлось создание учебного видео ролика для студентов, выполняющих лабораторную работу по измерению пространственного распределения плотности потока нейтронов на уран-водной подкритической сборке в рамках изучения курса "Экспериментальная физика ядерных реакторов; теория переноса нейтронов", НИЯУ МИФИ.
На рис. 3. изображена действующая физическая установка уран-водной сборки в НИЯУ МИФИ. На рис. 4. представлено схематическое изображение и описание уран-водной сборки.
|
|
|
|
|
Рис.3. Общий вид уран-водной подкритической сборки |
Рис.4. Схема уран-водной
подкритической сборки. Условные |
Созданные мультимедийные материалы для уран-водной подкритической установки используются в виртуальной лабораторной работе «Экспериментальное определение зависимости материального параметра от шага уран-водной решетки» в качестве вступительного ролика перед выполнением лабораторной работы. Данная лабораторная работа используется в НИЯУ МИФИ на кафедре «Теоретической и экспериментальной физики ядерных реакторов» в рамках курсов «Экспериментальная физика ядерных реакторов» и «Теория переноса нейтронов», которые читаются для студентов групп Ф6-01н, Ф7-01А, Ф8-01, Ф8-02, Ф8-02А. Студенты могут скачать исполняемый файл (exe-файл) виртуальной лабораторной работы из Интернета с сайта http://www.wintuning.ru/play/ . Прилагаемый иллюстративный материал помогает студентам лучше понять суть эксперимента и физических процессов, происходящих внутри установки.
В качестве исходного материала для данной работы был предоставлен сценарий ролика, который состоит из 9 фрагментов. Для каждого фрагмента сценария были созданы соответствующие фрагменты ролика в 3DS Max. Некоторые элементы сборки были прорисованы в 3DS Max вручную, более трудоемкие элементы сцены потребовали написания прикладных программ на языке MaxScript.
Ниже приведены кадры из видео ролика, содержащего полученные мультимедийные материалы – результаты работы созданных прикладных программ. На рис. 5-10 представлены фрагменты, демонстрирующие общий вид сборки и ее структуру (рис.5 - бак с водой, рис.6 – массив урановых блоков, рис.7 – разрез установки в сборке с детектором и источником, рис 8 – компьютер, получающий измерения, рис.9 , 10 - изменение шага решетки).
|
|
|
|
Рис. 5. |
Рис.6. |
|
|
|
|
Рис. 7. |
Рис. 8. |
|
|
|
|
Рис. 9. |
Рис.10. |
Для просмотра упомянутого видео ролика щелкните на рис. 11.
Рис. 11
Заключение
Разработанные прикладная программа визуального анализа поля энерговыделния и мультимедийные материалы в настоящее время используются в учебном процессе на кафедре «Теоретической и экспериментальной физики ядерных реакторов» в рамках проведения курсов «Экспериментальная физика ядерных реакторов» и «Теория переноса нейтронов», которые читаются для студентов групп Ф6-01н, Ф7-01А, Ф8-01, Ф8-02, Ф8-02А.
В дальнейшем планируется расширение функциональных возможностей
прикладной программы визуального анализа поля энерговыделения. Предполагается
расширение функций визуального анализа и добавление возможностей численного
анализа поля энерговыделения. Таким образом, расширенное программное средство
можно будет использовать для визуально-численного анализа этого поля.
6.
Пилюгин В.В., Маликова Е.Е., Матвеева Н.А..,
Аджиев Н.А., Пасько А.А.. Программные средства научной визуализации
//II-я Всероссийская конференция
"Многомасштабное моделирование процессов и структур в
нанотехнологиях". Сборник тезисов докладов 2009.
МИФИ. Москва. С. 319-320.
7. М.Н. Стриханов, Н.Н. Дегтяренко, В.В. Пилюгин, Е.Е. Маликова, Н.А. Матвеева, В.Д. Аджиев, А.А. Пасько Опыт компьютерной визуализации наноструктур в НИЯУ МИФИ. http://sv-journal.com/2009-1/01.php
NRNU MEPHI experience in development and application of visualization software in nuclear power plants education
G. Tikhomirov, I. Saldikov,
E. Malikova, L. Kuchenkova, V. Pilyugin
The National Research
Nuclear University "MEPhI", Moscow, Russia
tgera@mail.ru, saldoz@ya.ru, e_mal@inbox.ru, pilyugin@sv-journal.com
Abstract
In this
article the experience of joint work of the department "Theoretical and Experimental
Physics of Nuclear reactors' and educational scientific laboratory,
"Scientific Visualization" of the National Research Nuclear
University MEPHI in the development of software tools for visual analysis and a
visual illustration of the laboratory work and
theoretical study devoted to
nuclear power plants process (for
example, laboratory work on the uranium-water subcritical assembly, which aims
the measurement of the spatial distributions of neutron flux density and the
courses: "Experimental Nuclear Physics reactors "and" Neutron
Transport Theory " lectures) is considered. A brief description of the
applications developed for visual analysis
and illustration and used in their design the scientific visualization
complex components is given. Results of visual energy field analysis obtained by the developed software program
and the results of visual illustrations are given as examples.
Keywords: scientific visualization,
VVER-1000, the educational process, imaging applications, scientific visualization
applied programs.
References
1. Website of VTK-library for C++, made for science visualization. Available at: http://vtk.org
2. Website of Autodesk Company, realizing programs for 3D –visualization. Available at: http://usa.autodesk.com
3. Website simple specialized high-level programming language HyperFun, made for 3D–visualization. Available at: http://www.hyperfun.org
4. Website of Jmol: an open-source Java viewer for chemical structures in 3D. Available at: http://jmol.org/
5. Website of Cortona3D Company, which is providing proven tools for transforming design data (CAD) into 'Visual Know-How' for product maintenance and training. Available at: http://www.cortona3d.ru/
6. Pilyugin V.V., Malikova E.E., Matveeva N.A.., Adzhiev N.A., Pasko A.A.. Programmnye sredstva nauchnoy vizualizatsii [Software tools for scientific visualization] II-ya Vserossiyskaya konferentsiya Mnogomasshtabnoe modelirovanie protsessov i struktur v nanotekhnologiyakh. Sbornik tezisov dokladov [Second All-Russian conference “Multiscale modeling of processes and structures in nanotechnology Book of abstracts] Moscow: MIFI. 2009, pp 319-320.
7. M.N. Strikhanov, N.N. Degtyarenko, V.V. Pilyugin, E.E. Malikova, N.A. Matveeva, V.D. Adzhiev, A.A. Pasko Opyt kompyuternoy vizualizatsii nanostruktur v NIYAU MIFI [Computer visualization of nanostructures experience at NRNU MEPhI] Nauchnaya vizualizatsiya [Scientific visualization], National Research Nuclear University MEPhI, 2009, vol.1, no.1, pp 1-18.Available at: http://sv-journal.com/2009-1/01.php