《Annals of Nuclear Energy》：A novel component mode synthesis-proper orthogonal decomposition-reduced-order model for flow-induced vibration prediction of nuclear fuel rods using limited measurement samples
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•POD快照直接在CMS降阶系统中生成，而非在全阶有限元模型中生成。•将CMS结构降阶与POD数据驱动重建相结合，实现了一种高效降阶预测方法。•通过Tikhonov正则化的POD系数识别，从有限的传感器数据中重建全场流致振动响应。•该方法在含噪测量条件下，对圆形/螺旋十字形燃
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POD快照直接在CMS降阶系统中生成，而非在全阶有限元模型中生成。
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将CMS结构降阶与POD数据驱动重建相结合，实现了一种高效降阶预测方法。
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通过Tikhonov正则化的POD系数识别，从有限的传感器数据中重建全场流致振动响应。
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该方法在含噪测量条件下，对圆形/螺旋十字形燃料棒实现了高精度和高自由度缩减。
引言
流致振动（Flow-Induced Vibration, FIV）在众多工业领域中起着至关重要的作用。在核能系统中，流致振动仍然是反应堆组件的主要失效机制之一，与电厂的安全和运行成本密切相关（Ferrari等，2018；Zhou等，2024）。核电站中的多个关键组件会受到流致振动的影响，例如蒸汽发生器（Benguigui等，2024；Sigrist和Broc，2008）和燃料棒（Ferrari等，2020；Dragunov等，2013；Zhang等，2025）。由于其细长结构特征，燃料棒更容易受到湍流激励力驱动的振动（De Santis和Shams，2017）。由于其细长结构特征，燃料棒更容易受到湍流激励力驱动的振动。在压水堆燃料组件约4年的堆内停留期间，辐照效应会降低间隔栅格的结构刚度，导致燃料棒与间隔栅格之间的接触间隙逐渐增大。增大的间隙削弱了间隔栅格的约束作用，使得燃料棒能够发生更大幅度的振动。因此，燃料棒与间隔栅格之间发生加剧的相对运动，在直接接触区域引发栅格对燃料棒的微动磨损。当过度的栅格对燃料棒微动磨损超过包壳厚度时，可能导致包壳穿孔，从而引发放射性材料的泄漏（Jiang等，2016）。基于这一认识，准确预测燃料棒的流致振动响应是确保燃料包壳结构完整性的关键前提，也是提高运行安全性的必要条件。
尽管流致振动的实验研究被认为是最可靠的方法，但同时也伴随着高昂的成本（Wu等，2014）。随着计算技术的发展，数值方法日益成熟，例如有限元法（FEM）（Duan等，2026）、有限体积法（FVM）（Pulicani等，2026）和有限差分法（FDM）（Liu等，2025）。耦合FEM-FVM方法中，FVM用于求解流体力，FEM用于求解结构方程，可以有效地预测流致振动响应，从而显著减少对昂贵实验的需求（Pellegrini等，2025）。然而，在实际核反应堆系统中，燃料棒通常以网格状结构排列，几何配置复杂，导致计算网格数量众多、计算成本高昂。由于流致振动是一个瞬态问题，时间步长通常要求小于1/1000，以满足Courant-Friedrichs-Lewy（CFL）数小于1的稳定性条件。在大规模网格条件下，这将导致计算成本显著增加。为解决这一问题，降阶模型（ROM）被用于降低复杂系统的自由度，在保持求解精度的同时降低计算成本。因此，该方法已成为解决此类问题的主流方案，并广泛应用于核能领域（He等，2022；Lorenzi等，2017；Min等，2026；Kang等，2022；Min和Jiang，2024；Drakoulas等，2023）。
全阶模型（FOM）的降维是构建高性能降阶模型的核心步骤。组件模态综合法（CMS）和正交分解（POD）是计算结构动力学（CSD）和计算流体力学（CFD）中广泛使用的代表性降维技术。CMS通过子结构分解和低阶模态综合实现系统降阶，其特点是易于实现且鲁棒性强（Kim等，2016；Aladwani等，2022；Jakobsson和Larson，2011），非常适合燃料束等多组件耦合的复杂结构。POD通过相关矩阵的特征值分解来构造，得到主导模态作为降阶基函数，随后将原始高维系统投影到低维子空间以进行模型降阶（Kerschen等，2005；Sun等，2022；Kang等，2025；Kang等，2022；Min等，2024）。
尽管CMS和POD作为代表性降阶建模技术已被广泛研究，但它们的应用通常是分离的：CMS主要用于结构动力学降阶，而POD主要用于流场或响应场的重建。对于涉及燃料棒流致振动响应的流固耦合问题，将CMS的结构降阶能力与POD的数据驱动重建能力相结合的统一框架尚未得到充分发展。更重要的是，从少量测量样本中高效重建全场振动响应仍然是工程实际应用中具有挑战性的问题。为解决这一局限，本研究提出了一种CMS-POD-ROM预测方法，利用有限的测量数据快速准确地重建燃料棒的流致振动响应。在所提出的框架中，根据测量点和预测点的位置将燃料棒划分为若干组件，首先利用CMS显著降低结构自由度。随后，利用POD提取主导空间特征并构建低维重建基。通过从稀疏测量响应中识别POD模态系数，可以高效地重建全场位移响应，而无需进行重复的全阶模拟，从而提高了流致振动响应的预测效率。本文的其余部分组织如下：第1节介绍研究背景；第2节介绍降阶建模方法；第3节描述所提出的CMS-POD预测框架；第4节评估圆形和螺旋十字形燃料棒的预测精度和噪声鲁棒性；第5节给出结论。
章节摘要
正交分解
POD是一种经典的数据驱动模型降阶方法。其核心思想是从高维系统快照中提取一组正交基函数，构建一个能够捕捉原始高维系统主导动力学特征的低维子空间。设系统状态向量表示为 u(x, t)，其中 x 表示空间变量，t 表示时间。对于POD，状态向量 u(x, t) 可以近似为空间
基于CMS-POD的预测方法
为了构建用于POD基提取的快照矩阵，设计了60个具有固定-固定边界条件的代表性载荷工况。如图1所示，沿跨距选择了七个离散载荷位置，分别位于棒长的约15%、25%、35%、50%、65%、75%和85%处。在每个位置施加六个集中载荷大小，分别为5000 N、14000 N、23000 N、32000 N、41000 N和50000 N，共产生42个点载荷快照。在
预测结果
如图3所示，本研究重点关注核反应堆系统中的两种常见燃料棒类型，即圆形燃料棒和螺旋十字形燃料棒。对于这两种燃料棒构型，均采用铅铋共晶（LBE）作为冷却介质，其热物性参数参照文献（Sobolev, 2007）确定。此外，进行了对比分析，以评估基于CMS-POD的方法在预测两种不同
结论
本研究提出了一种新的CMS-POD降阶方法，利用有限的测量样本快速预测燃料棒的流致振动（FIV）响应。该方法将组件模态综合（CMS）用于结构降阶，将正交分解（POD）用于提取主导空间特征，通过组件分解、Craig-Bampton降阶和基于POD的位移重建，实现高效的全场流致振动重建。主要结论
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本文所述工作得到以下基金资助：[国家自然科学基金面上项目]（项目编号：12602274）；[四川文理学院高层次人才培养启动项目和产学研合作项目]（项目编号：2025GCC61XZ, 2025HX139）；[重庆市自然科学基金一般项目]（项目编号：cstc2021jcyj-msxmX0166）；[达州建筑环境工程技术研究中心]
Shuguang Yang|Xiaohui Liu|Hongbin Peng|Chuan Lv|Chuan Wu|Guangyun Min
