引言
板式燃料组件因布局紧凑、传热效率高而被广泛应用于实验反应堆中（Ma等, 2018；Hrovat和Gmbh N., 1983）。典型应用案例包括中国先进研究堆（CARR）（Ye, 1998）、伊朗德黑兰研究堆（Han和Fontana, 1977）以及国际原子能机构推荐的MTR材料测试反应堆基准模型（Gaheen和Abdelaziz, 2019）。板式燃料元件的紧凑布局也使得冷却剂通道容易发生燃料板变形或阻塞，这会影响板式燃料组件的安全运行，甚至影响反应堆的安全（Yuan, 2022）。因此，在阻塞条件下开展板式燃料组件的流动与传热特性分析，对板式燃料组件的设计和反应堆的安全运行具有重要意义。
近年来，各国学者对板式燃料组件的阻塞条件进行了数值模拟研究。一方面，学者们关注阻塞条件下燃料、包壳和冷却剂的温度变化，以分析其对反应堆安全性的影响（El-Morshedy, 2012；Salama, 2012；Fan等, 2016）。另一方面，学者们关注阻塞后流场的演化，如中心阻塞和边缘阻塞条件下的涡结构或流迹、入口阻塞或中间阻塞后的回流区尺寸，以分析流场分布对冷却剂带热能力的影响（Qu等, 2024；Sun, 2015）。尽管数值模拟可以获得实验中难以实现的阻塞条件，但数值模拟的精度仍需要通过实验数据进行验证。然而，目前公开可用的板式燃料组件阻塞条件实验数据相对较少。
实验是研究阻塞条件下板式燃料组件流动与传热特性的重要方法。设计良好的实验方案和全面的实验数据是指导工程实践和验证设计理论的关键前提。20世纪初，Stovall（Stovall等, 1996；Stovall和Crabtree, 及A. J., 1997）率先将激光多普勒测速仪（LDV）应用于研究单个矩形通道中的流动阻塞场景，观察到了回流区，但未获得完整的流场分布数据。他们还首次应用热致变色液晶（TLC）在25%边缘阻塞条件下进行壁面温度测量，揭示了一个低速区域，其中流体温度升高，尽管所有参数均在燃料组件的安全限值范围内。美国橡树岭国家实验室也在Fermi钠冷却快堆中进行了不同雷诺数下的入口阻塞实验（Fontana等, 1974；Han和Fontana, 1977）。研究发现，阻塞通道中的最高温度仍低于正常运行条件下的出口温度。郭久源（Jiuyuan等, 2021）使用单气泡/多气泡构型模拟了板式燃料组件中的流动阻塞变形。实验结果表明，修正后的Zird-Taylor关联式将数误差从35.4%～47.8%降低至8.7%～21.3%，证明其在Re=400～3300范围内适用于变形通道的对流换热计算。
谭世超等（Yuan等, 2021a；Yuan等, 2021b）尝试将粒子图像测速（PIV）技术应用于板式燃料组件的边缘阻塞和中心阻塞条件，以获取实时、可视化且非干涉的流场。获得了流场的演化过程，并利用本征正交分解（POD）方法和功率谱密度（PSD）方法分析了流场中的涡运动规律。此外，一些学者（Zhang等, 2014；Watine等, 2023；Deri等, 2014）研究了钝板后的分离流动。所获得的流场分布和涡结构类似于板式燃料元件阻塞条件下所观察到的情况。此外，这些研究中采用的方法，如PIV和POD，可以为分析板式燃料元件阻塞条件下的流场提供方法学参考。姚伟义（Weiyi等, 2021）使用PIV技术研究矩形通道中阻塞率为25%的边缘阻塞条件，探索了不同雷诺数下流场分布的特性。结果表明，剪切流对再附着区和回流区的影响随雷诺数的增加而逐渐增大。再附着点随雷诺数的增加逐渐向下游移动。Teng（Teng等, 2025）对板式燃料肿胀的实验研究表明，在两相区段，并联矩形窄通道中会发生显著的流量分配不平衡，偏差超过设计安全阈值的20%。
在均匀来流中以一定入射角放置的方形圆柱体，存在更为丰富的实验文献。该几何形状是本文所述方形和菱形中心垫块的经典对应物：θ=0°对应面垂直于流动方向，θ=45°对应菱形取向。矩形圆柱体的频率测量确定了斯特劳哈尔数对长宽比和入射角的双重依赖性（Knisely, 1990）。随后的表面压力和力实验表明，随着入射角的增加，分离剪切层在迎风的侧面上以临界角重新附着。在该角度下，平均阻力达到最小值，脱落频率达到局部最大值（Yen和Yang, 2011；Huang和Lin, 2011；Chen和Liu, 及C.H., 1999）。
粒子图像测速使相关尾流的定量分析成为可能。（Dutta等, 2003；Dutta、Panigrahi和Muralidhar, 2008）在θ=0°、22.5°、30°和45°条件下绘制了回流区、湍流和涡间距的分布图。Oudheusden等（2005）提供了入射条件下涡形成的相位分辨PIV，随后时间分辨PIV被用于重构方形圆柱体上的非定常载荷（Oudheusden等, 2007；Kurtulus等, 2007）。Yen和Yang（2011）指出随着入射角增大，近尾流区域呈现三种模式：前缘分离、分离气泡和附着流。在非常高的雷诺数下，锐角方形棱柱的平均力和脉动力在θ=0°、-22.5°和-45°时基本与Re无关（Hinsberg, 2021）。综合来看，这些研究表明了一个一致的几何趋势：菱形取向产生的近尾流比方形取向更为紧凑。本文所研究的是相同的趋势，但处于受限的矩形通道内。表1汇总了上述板式燃料阻塞实验和方形圆柱体入射实验，以便在同一个地方对雷诺数、入射角或阻塞形状、阻塞率、尾流长度和临界拓扑结构进行比较。
总之，板式燃料组件阻塞事故的数值模拟在公开文献中已有大量报道，而实验研究则相对较少。传统测量技术如激光多普勒测速仪（LDV）仅限于单点测量局部流速，无法捕捉阻塞条件下的全场流动特性。此外，这些传统方法还可能对测量的流场产生干扰。近期研究转向使用粒子图像测速（PIV）来克服这一局限并获取全场流场拓扑，但现有的数据库仍远不如CFD工作的丰富程度。
这一差距促使本研究采用PIV技术，对矩形通道中不同中心阻塞构型下的流场进行实验研究。该方法能够全面获取中心阻塞条件下的瞬态全场流动数据，便于基于时均湍流特性和POD方法进行进一步分析。
