《British Accounting Review》：Physics-Informed Coarse-Mesh Method for Thermohydraulic Analysis: Two-Phase Model Extension and Validation Against Flow Boiling in Tubes and Rod Bundles with Mixing Vane Spacers
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能源装备内流动与传热的高效精准分析对优化能源系统、提升能源利用效率至关重要。两相流动沸腾作为能源系统的核心热管理机制，可保障设备高效安全运行。然而，大规模复杂管束广泛应用于能源装备中，对其内部两相流动沸腾进行高效且精准的分析仍面临极高的计算成本挑战。针对上述难
能源装备内流动与传热的高效精准分析对优化能源系统、提升能源利用效率至关重要。两相流动沸腾作为能源系统的核心热管理机制，可保障设备高效安全运行。然而，大规模复杂管束广泛应用于能源装备中，对其内部两相流动沸腾进行高效且精准的分析仍面临极高的计算成本挑战。针对上述难题，研究人员提出了一种两相物理信息粗网格(Physics-Informed Coarse-Mesh, PICM)方法。具体而言，该方法采用粗网格进行计算以降低计算开销，同时引入基于集总参数的流动与传热经验关联式来模拟壁面效应以保证精度。研究中采用流型图对流型结构进行分类，并针对不同流型选取相应的关联式模拟相间相互作用。为考虑精细结构效应，还引入了横流模型、附加压降模型及传热强化模型。验证结果表明，PICM方法能够准确模拟带混合翼定位格架棒束内的两相流动沸腾，并可回归至一维系统分析方法。与计算流体动力学(CFD)方法相比，PICM方法的网格规模与计算时间均降低三个数量级。针对带混合翼定位格架的小型模块化压水堆的全堆芯热工水力分析进一步证明了该方法的工程适用性。本研究为大规模复杂管束的精细化分析提供了有效手段，也为能源系统的多尺度耦合奠定了框架基础。
研究背景方面，全球能源需求持续增长，可持续发展要求日益迫切，优化能源系统、提高能源利用效率成为核心议题。大型管束结构广泛应用于换热器、核燃料棒束、蒸汽发生器等关键能源装备中，常集成扰流片、隔板、定位格架等精细结构以提升性能。在这些系统中，两相流动沸腾是确保设备高效安全运行的关键传热机制。传统系统程序（如RELAP）和子通道程序（如COBRA-TF）虽能快速估算两相行为，但空间分辨率不足，难以满足日益精细的安全分析需求。基于欧拉-欧拉框架的两相CFD方法虽在建模保真度与空间分辨率间取得较好平衡，但其封闭模型仍高度依赖经验关联式，适用性受具体工况限制，且针对大规模问题的计算成本过高，限制了工程应用。现有降阶策略如局部CFD与系统程序耦合存在数据传递成本高、适用性差等问题，多孔介质方法则因忽略真实结构可能引入不确定性。因此，开发兼顾效率与精度的新型数值方法十分必要。
研究人员在前期单相对流物理信息粗网格方法基础上，将该方法拓展至两相流动沸腾场景。研究提出的PICM方法核心在于使用粗网格捕捉主要几何特征，同时通过基于集总参数的经验关联式修正壁面源项以保证精度。针对两相流复杂性，方法引入流型图进行流型分类，并选用对应流型的封闭模型；为刻画混合翼定位格架等精细结构效应，建立了横流模型、附加压降模型及传热强化模型。研究人员将该求解器在开源CFD平台OpenFOAM中实现，并通过PSBT基准实验进行验证，分析了稳态与瞬态工况下的计算成本，最终应用于带混合翼定位格架的小型模块化压水堆全堆芯稳态热工水力分析。
关键技术方法主要包括：一是采用粗网格离散计算域，大幅减少网格量；二是基于集总参数框架，引入经验关联式对壁面摩擦与传热进行修正；三是利用流型图划分两相流动结构，并针对各流型匹配相应的相间作用封闭模型；四是针对混合翼定位格架等复杂结构，引入横流、附加压降及传热强化模型以表征其局部效应。所有验证案例均采用PSBT基准实验数据。
研究结果部分，在两相物理信息粗网格方法章节，研究人员阐述了针对两相流的算法与封闭模型体系，解决了两相流控制方程多、封闭模型选择影响计算成本与精度的问题。在验证与讨论章节，通过对PSBT基准问题的数值模拟与敏感性分析，验证了方法的准确性与适用性，并论证了其回归为一维系统方法的可行性。在计算成本分析章节，研究人员在配备AMD EPYC 9654 CPU的Linux平台上进行了并行计算测试，结果表明与常规细网格CFD方法相比，PICM方法的计算成本降低约三个数量级。在全堆芯热工水力分析章节，研究人员完成了含37个燃料组件的小型模块化压水堆全堆芯稳态计算，每个组件含264根燃料棒、24根导向管及1根中心仪表管，计算域覆盖子通道与结构区域，证明了该方法在复杂工程场景中的实用性。结论部分指出，该研究提出的两相PICM方法实现了大规模复杂管束内两相流动沸腾的高效精准模拟，兼具工程实用性与物理可解释性，为相关领域的多尺度分析提供了新范式。
讨论与结论总结表明，与传统细网格CFD相比，PICM方法在保持对非曳力及精细结构效应的精确刻画能力的同时，显著降低了计算资源消耗，能够捕捉空隙率分布由壁面峰值向中心峰值转变、定位格架下游气泡聚集与弥散等关键现象。与物理信息神经网络(PINN)不同，PICM作为确定性粗网格求解器，避免了训练不稳定与超参数调优问题，在保证收敛性的同时提供了物理可解释的结果。该研究为大规模能源装备的热工水力分析提供了高效可靠的新工具，具有重要的工程应用价值。
