核电站多级过滤系统中拦截网的优化设计方法：基于DEM-FEM耦合模拟与多目标优化

为解决核电站冷却水取水系统因海洋生物入侵导致的运行中断问题，研究人员开展多级过滤系统拦截网的优化设计研究。通过耦合离散元法(DEM)和有限元法(FEM)建立双向EDEM-Fluent模拟框架，结合NSGA-II算法实现拦截效率与成本的多目标优化。结果表明，网孔尺寸和流速分别显著影响拦截率(ω)和压降(ΔP)，三阶段过滤设计在97%拦截率下成本效益最优。该研究为核电站水安全提供了兼具工程价值与理论创新的解决方案。

　　

随着全球能源结构向低碳转型，核能凭借其高能量密度和低排放特性成为关键选择。然而核电站冷却系统面临严峻挑战——海洋生物如藻类、水母等大量涌入取水口，可能引发设备堵塞甚至非计划停堆。传统监测技术虽能预警生物入侵，但对多级过滤系统的核心部件拦截网缺乏系统性设计方法。这些柔性网状结构在复杂流体环境中表现出多尺度变形特征，其拦截性能与网孔尺寸、流速等参数的非线性关系难以通过经验公式准确描述，导致现有设计过度依赖工程直觉。

针对这一瓶颈，研究人员开展了核电站多级过滤系统拦截网的优化设计研究。通过建立双向耦合的DEM-FEM数值模型，首次实现了海水流动、柔性网结构和离散生物颗粒三者相互作用的精确模拟。研究发现2-50mm网孔尺寸下拦截率呈现指数衰减规律(ω=-4.25e^k/15.57+105.56)，而压差与流速呈二次函数关系(ΔP=96.7v²+11.6v)。基于这些规律构建的多目标优化模型，采用NSGA-II算法在拦截效率(最高达97%)和总成本(含桩基费用)之间取得平衡。该成果发表于《Desalination and Water Treatment》，为核设施水安全提供了兼具理论深度和工程实用性的设计范式。

关键技术方法包括：

1. 双向耦合的EDEM-Fluent模拟框架，时间步长Δt=5ms，采用k-ε湍流模型和Hertz-Mindlin接触模型
2. 多参数敏感性分析，考察网孔尺寸(2-50mm)、流速(0.1-0.5m/s)等变量
3. 超体积指标(HV)评估算法收敛性，进行100轮优化迭代验证稳定性
4. 可视化平台开发，实现拦截过程的动态演示和设计参数交互调整

研究结果：
2.1 流体-结构相互作用分析
通过分区求解策略实现流固耦合，当Courant数<0.5时，双向耦合误差<1×10^-3。模拟显示25mm尺寸的虾类在30mm以上网孔中穿透率急剧上升，验证了网孔尺寸与生物体型的匹配原则。

2.2 详细模拟过程
开放通道模型中，网格在拦截网附近加密处理。参数设置包括海水密度ρ_sw=1025kg/m³、弹性模量E_net=1.62×10⁹Pa等。自适应时间步长控制确保位移增量<5×10^-5m。

3.1 目标函数与约束
建立双目标优化模型：最大化ω_total=1-(1-ω₁)(1-ω₂)(1-ω₃)和最小化Cost_total，约束条件为悬挂点受力<80%F_max。

3.2 优化方法
采用pymoo库的NSGA-II算法，设置交叉概率0.7、变异概率0.1。拉丁超立方采样初始化种群，200代进化后HV指标收敛。

1. 结果
   三阶段设计在ω=97%时较两阶段节省成本12%。HV分析显示算法在50代内达到稳定解。开发的可视化平台支持实时观察不同网孔(k)和流速(v)下的拦截动态。

结论与讨论：
该研究创新性地将DEM-FEM耦合模拟与多目标优化相结合，解决了核电站过滤系统设计中的关键难题。提出的方法具有模块化扩展性，可通过更换DEM生物库模拟不同物种，或调整CFD边界条件适应各类海洋环境。值得注意的是，当拦截需求超过95%时，增加过滤阶段数比单纯缩小网孔更具经济性。未来工作将拓展至水母等软体生物的变形机制研究，并开发基于数字孪生的实时优化系统。这些进展不仅适用于核设施，也可推广至海水淡化、船舶压载水处理等领域，为海洋工程装备的智能化设计提供新思路。