《Annals of Nuclear Energy》：Numerical investigation on flow instability in casing once-through steam generators based on subchannel method
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•子通道法应用于 COTSG 流不稳定性分析。•一次侧堵塞降低稳定性；二次侧堵塞增强稳定性。•边缘通道最先触发不稳定性；对称模型高估了稳定性。引言一次通过蒸汽发生器（OTSG）是许多先进反应堆设计中的关键组件，包括小型模块化反应堆（SMRs）、钠冷快堆（SFRs）和高温气冷堆
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子通道法应用于 COTSG 流不稳定性分析。
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一次侧堵塞降低稳定性；二次侧堵塞增强稳定性。
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边缘通道最先触发不稳定性；对称模型高估了稳定性。
引言
一次通过蒸汽发生器（OTSG）是许多先进反应堆设计中的关键组件，包括小型模块化反应堆（SMRs）、钠冷快堆（SFRs）和高温气冷堆（HTGRs）。其受欢迎的原因在于其紧凑的设计、高热效率、低水量以及消除了传统循环蒸汽发生器中庞大的汽水分离器（Han 等，2019，Yuan 等，2020）。在 OTSG 中，二次侧给水在通过换热器管束的单一流程中被完全蒸发和过热，从而形成复杂的多区域流动：过冷液体、饱和两相混合物和过热蒸汽（Xia 等，2015）。然而，这种全面的相变使得 OTSG 本质上容易受到两相流不稳定的影响。这些不稳定现象，从静态流动偏移（Ledinegg 不稳定性）到动态振荡如密度波振荡（DWO）和压降振荡（PDO），在低负荷运行、启动瞬态和负荷跟踪机动期间尤为明显（Hou 等，2010，Li 等，2022）。由此产生的质量流量、压力和壁温的持续振荡可能引起严重的机械振动，导致管材热疲劳，并损害系统控制，潜在导致沸腾危机和安全问题（Hao 等，2016）。因此，深刻理解 OTSG 中不稳定性的触发机制和参数影响，对于确保下一代核电站的安全可靠运行至关重要。
近年来，研究界通过实验和数值方法投入了大量精力来研究 OTSG 的不稳定性，朝着更真实和复杂的配置发展。实验研究在揭示新现象和验证预测模型方面起到了关键作用。在一项关于 ACP100 多用途模块化 SMR 的研究中（Du 等，2025），构建了一个双回路实验系统来探索箱式钛合金套管 OTSG 的热工水力行为。他们的工作系统评估了关键参数——包括一次侧平均温度、负荷、蒸汽压力和给水温度——对出口蒸汽过热度等关键性能指标和二次侧压降的影响，发现一次侧温度的影响最为显著。此外，对螺旋卷管配置的研究揭示了由水动力特性曲线的多值性驱动的复杂振荡模式，并对从 DWO 到 PDO 的瞬态演化进行了详细调查，显著增进了我们对弯曲几何形状中不稳定模式的理解。
同时，数值模拟已成为分析难以通过实验测量的复杂物理现象不可或缺的工具。在一项里程碑式的方法论发展中（Zhang 等，2024），提出了一种用于 SFR OTSG 的新型跨尺度耦合分析方法。通过将水侧的一维全范围流沸模型与钠侧的高保真三维 CFD 模型联系起来，这种方法避免了全三维多相模拟的计算成本和不稳定性。该方法通过与 19 根管蒸汽发生器设施实验数据对比验证，显示轴向钠温度分布的最大误差小于 3%，从而为详细设计分析提供了高效的工具。其他数值工作针对特定的操作挑战。Lin 等（2023）使用 APROS 代码开发了带有 OTSG 的 ACP100 反应堆启动模型。模拟成功捕捉了关键瞬态现象，包括二次侧的相变锋面重叠和壁温跳跃，从而优化了启动策略以增强早期稳定性。与此同时（Xu 等，2021），专门开发了时域 COSFIAS 代码用于分析 SFR OTSG 平行通道中的流动不稳定性。该代码系统分析了水侧和钠侧参数对稳定性边界的影响，为工程设计提供了直接的理论支持。此外（Kommer, 2015），基准测试了系统代码 TRACE 与 RELAP5 以模拟 OTSG 配置中的 DWO，确认了 TRACE 进行可靠不稳定性预测的能力，而（Yoon, 2021）通过识别以前被忽略的热传递边界扰动模型，引入了一种新的、更精确的管入口节流孔尺寸标准。
尽管取得了这些实质性进展，但仍存在一个持续的挑战：大多数现有研究依赖于简化模型，将 OTSG 理想化为单通道或对称双通道系统。这种方法对于系统级动力学是稳健的，但本质上无法捕捉真实大型管束内部的局部三维相互作用。复杂现象如入口腔室中的流动分配不均、径向和轴向热流密度分布不均匀，以及数百个平行管之间的相互作用，可能导致流动模式或激发不稳定模式，而这些是简单模型无法预测的。例如，虽然通常假设对称性，但 Liu 等（2020）关于平行通道中超临界水的研究以及 Bogojevic 等（2011）关于微通道的研究表明，不均匀加热和几何不对称可以显著改变稳定性边界，有时甚至根据流动状态具有稳定化效应，这是低保真度模型无法解决的细微差别。
鉴于此，本文创新地将核反应堆堆芯热工水力分析中成熟应用的子通道分析方法引入到壳式一次通过蒸汽发生器（COTSG）流动不稳定性的研究中。基于 CTF 代码开发了一个忠实反映多通道几何形状的解析模型。通过与经典实验和主流系统代码的比较验证，系统研究了边界条件、横向混合、管束规模和局部堵塞对稳定性的影响。旨在为 COTSG 的精细化设计和安全评估提供理论基础和分析工具。
章节摘要
通用守恒方程
CTF 代码采用双流体、三场模型进行热工水力计算。它分别求解蒸汽相和液体相的守恒方程，考虑相间的质量、动量和能量交换。与均质流模型相比，双流体、三场模型能更好地反映两相流的流动机制和结构。式 (1)-(3) 是 CTF 中的守恒方程，其中下标 k 代表连续液相（k = l），该
热工水力模型验证
为了验证 CTF 代码在模拟 COTSG 热工水力特性方面的适用性和准确性，本研究以 ABV 系列一体化压水反应堆的 COTSG 为原型，几何参数参考 Zhu 等（2011）。基于无限管束排列的假设，COTSG 被简化为单壳模型以进行对比分析。根据几何对称性，OTSG 被划分为几个六角形
边界条件设置对恒功率运行结果的影响
COTSG 具有大规模平行管束和复杂的两相传热行为。进行全尺寸模型将涉及巨大的计算成本。随着管束尺寸的增加，内部区域子通道的变化变得不那么显著。因此，可以简化计算域，同时保留边缘和角部区域的几何形状，因为这些区域的结果差异较大。对于排列在
结论
本研究引入子通道分析方法来研究 COTSG 中的流动不稳定性，提供了比传统集总参数模型更细致的理解。使用 CTF 代码，开发并验证了一个多区域子通道模型。基于该模型，系统分析了建模策略、管束规模和局部堵塞对系统稳定性的影响。主要结论及其含义如下：
竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能被认为影响了本论文中报告的工作。
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