揭示悬臂杆两相轴向流致振动的基本原理

为什么燃料棒的振动很重要

核电站在不声不响中提供了世界上大量的低碳电力。在反应堆芯内，数百根细长的金属管——称为燃料棒——装载着促成反应的铀。这些燃料棒紧密排列成束，冷却水高速流过以带走热量。然而，这一流动会使燃料棒发生振动。随着时间推移，棒与支撑件接触处的反复摩擦可能磨损金属，导致昂贵的停堆维修。本文研究了一种尤其棘手的情形：冷却剂为水与气泡的混合物且燃料棒沿流向发生振动。作者还揭示了一种在不干扰振动的情况下“聆听”这些运动的新方法。

对复杂反应堆的简化模型

实际反应堆芯在机械结构和几何形状上都很复杂，因而难以详细研究。为了把握其基本物理，研究者构建了一个简化但经过精细缩放的模型：一根竖直金属杆，一端夹持、另一端自由，位于稍大一号的管道内，使水（或含气的水）沿杆流动。通过改变杆端部形状并反转流向，他们重现了类似现代水冷反应堆的条件。这个精简装置保留了要素——强流、紧密约束和真实的杆质量——同时允许对流速和含气量进行精确控制。

用磁学而非光学来“听”

在浑浊的两相流中测量微小振动并不简单。传统的光学追踪会因为气泡遮挡而失效，而把常规传感器直接连接到杆上又可能改变其动力学行为。团队采用霍尔效应绕开了这两类问题——霍尔效应将磁场变化转化为电信号。他们在杆的自由端安装了小型永久磁铁，并在透明试验段外放置四个磁场传感器。随杆位移，传感器处的磁场发生变化，产生电压信号进而被转换为精确的端部位移。校准测试表明，该系统可分辨小于40微米的位移，并且在清水中与高速成像对比验证了该方法能准确捕捉振幅和频率。

气泡如何重塑流场

借助这一工具，研究者考察了引入气泡如何改变流动及杆的响应。在低气含量时，小气泡分散在水中，仅轻微扰动整体流场。杆上沿程的压力和剪切力与纯水中相似，仅有偶发气泡冲击带来一些随机性。随着气相分数增大，气泡碰撞并合并成伸长的空腔和可横跨杆与管之间间隙的“空腔通道”。在低流速下，这些空腔大体完整；在更高流速下，湍流将其撕裂成较小结构。利用激光流场可视化，团队展示了较高气含量既提高了平均流速（因为混合物更轻），又显著放大了涡量与速度的波动。换言之，流动变得更混沌，更容易随机地摇动燃料棒。

有序振动与随机摇摆的较量

研究的关键见解是，杆的振动源于两类流体力之间的竞争。一类是随运动产生的、近似周期性的力：当杆发生弯曲时，流动的水可能以节律性的方式进一步推动它，导致大幅、类似颤振的振荡。另一类是随机力：来自湍流涡旋和气泡或空腔冲击的非规则推力。在高速单相水中，周期性力可能占优，驱动强烈且规则的振动，这对杆端形状和流向极为敏感。然而随着气体加入并使流动无序性增加，这种节律被打乱。周期性激励减弱，而随机冲击增强，尤其当气相在端部周围形成大而不稳定的结构时更为明显。

随机性占上风的阈值

通过系统地改变流速和气相分数，作者绘制了振幅和频率的变化图谱。他们发现了一个显著的规律：当气相分数超过约0.2时，不同端部形状和流速下的振动幅值开始趋于相近。在这一阈值以上，行为主要受两相流的随机性控制，而不再取决于几何细节或流速。振动频率仍接近杆的固有频率，但运动变得更混沌，这可从位移信号的统计特征看出。对反应堆设计者而言，这一结论很明确：在纯水条件下有效的策略，例如通过精细调整杆端形状来抑制周期性不稳定， 一旦出现显著沸腾或气体注入就会大打折扣。取而代之的，可能需要采用减少湍流波动或打散大气泡结构的设计思路，以控制导致磨损的振动。新的磁学传感方法为在真实的两相条件下测试此类思路提供了一种强大且无侵入的手段。

引用: Li, H., Cioncolini, A., Iacovides, H. et al. Unveiling the fundamentals of two-phase axial-flow-induced vibrations of cantilever rods. Sci Rep 16, 5102 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35337-4

关键词: 流致振动, 两相流, 核燃料棒, 气泡动力学, 霍尔效应传感