气液两相流广泛存在于油气储运、化学反应器、核反应堆、制冷等领域中。气液两相流的固有复杂性,如界面易变形、相态分布不均匀及两相相对运动等,使得其质量、动量、能量的传递机制复杂。作为反应堆、热交换器等设备中常见结构,棒束通道内流动、传热、临界热流密度等特性对系统与设备的安全和高效运行至关重要,特别是反应堆热工水力和安全分析等问题中。棒束通道中相态分布特性的转变往往引起两相流动阻力、传热、临界热流密度等特性的变化,是两相流动与传热的决定性因素。因此,有必要对棒束通道内相态分布特性及其影响机理进行深入研究与分析。然而,目前气液两相流的测量手段十分有限,尤其是对复杂的棒束结构,这严重限制了相关研究的开展。因此,本文基于气液两相电学性能的差异,首次开发出了子通道空泡仪测量不同子通道内的空泡份额,同时开发了四探头电导探针对棒束通道内局部两相参数进行详细测量,分析了棒束通道中相态分布的宏观特性、局部参数分布特性及其影响机制,提出了棒束通道内空泡壁峰分布向核峰分布的转变模型、子通道分布参数模型,可为实际的核反应堆、换热器等相关系统设计与设备安全运行等提供参考。本文开发的子通道空泡仪测量频率为10 kHz,在实验中展现出了良好的测量精度,并首次捕捉到了棒束子通道内泡状流、帽状流、帽状搅混流、搅混流、环状流下相态分布动态变化引起的空泡份额变化。基于子通道空泡份额的13个特征参数(平均值、标准差、样本熵及10个不同空泡份额区间的占比值),通过随机森林算法首次客观地获得了不同定位格架下不同位置子通道的流型图。与Paranjape等的全局流型图比较表明,套管边壁效应导致全局流型图并不适用于子通道;同时,边壁效应致使简易格架下游19.5 L/D处,几乎所有流型的转变均先出现于中心子通道,然后是边、角子通道。简易格架下游,低液相流速下,轴向发展对角子通道内泡状流到帽状流的转变无影响,而帽状流到帽状搅混流、再到搅混流的转变首先发生在19.5 L/D,然后出现于6.8 L/D;而高液相流速下,泡状流到帽状流、帽状搅混流的转变,则先发生于6.8 L/D,然后出现于19.5 L/D。与简易定位格架相比,MVSG(带搅混翼片定位格架)对大气泡的剪切破碎作用更明显,在格架下游19.5L/D位置对子通道流型转变具有明显抑制作用。四探头电导探针所获得的两相局部参数表明,棒间隙尺寸的限制作用等导致局部两相参数沿径向具有较大的波动,其波动幅度与气相流速、液相流速、空泡份额等有关。随着气相流速的增大,Group I空泡份额壁峰型分布会逐渐转变为核峰型分布并出现Group II气泡,其发生过渡时空泡份额大约在0.2-0.3的区间。Group II空泡份额不仅对于单个子通道呈核峰型分布,而且相对于整个棒束流道亦呈核峰型分布。本文首次发现,定位格架的搅混翼片引起的横向流动使得两相流动的局部参数峰值发生横向偏移,并加剧了空泡的壁峰分布;使双组两相流中Group II空泡份额、界面面积浓度等分布出现向一侧的聚集现象,聚集方向随流动的发展可能会受套管壁的限制发生反向的聚集转变。局部空泡参数研究表明,棒束通道内空泡壁峰分布向核峰分布的转变与气泡尺寸、棒间隙尺寸直接相关。对常用的升力、壁面(润滑)力、湍流耗散力等模型分析表明,气泡的横向受力大小、方向与气液密度差、两相相对速度、气泡尺寸、表面张力、空泡份额、气泡雷诺数、气泡Eo数、气泡与壁面距离等直接相关,且这些因素多受气液两相流速与物性决定。从宏观参数角度考虑,气相表观流速、空泡份额的增加均会促进空泡壁峰分布向核峰分布的转变,而液相表观流速、棒间隙尺寸的增加则会抑制其转变。将影响棒束通道内空泡壁峰向核峰分布转变的因素分为“促进因素”与“抑制因素”,分别考虑气、液两相的韦伯数、雷诺数、物性及棒间隙尺寸等,基于本文、Yang等、Hosokawa等的实验数据,本文提出了适用于不同尺寸棒束通道的空泡壁峰分布向核峰分布转变的模型。本文还总结了适用于棒束通道的分布参数模型,并基于子通道空泡份额数据对现有模型进行了综合评估,结果表明现有模型的平均误差均大于25%。因此,本文基于Julia等依据定义积分法所得的漂移流速度关系式,首次提出了子通道分布参数模型,并对本文及文献中的数据均具有良好的预测精度。由于套管边壁效应的影响,同一截面上边子通道、角子通道内的分布参数值大于中心子通道。本文从棒束通道内相态分布宏观特性、局部空泡特性及分布参数模型等角度综合分析,首次总结了MVSG对空泡行为的影响,主要体现在以下几点:第一,对大气泡的剪切破碎作用;第二,增强两相的湍流强度;第三,搅混翼片会引起两相的横向流动;第四,搅混翼片后会出现局部绕流、回流的现象;第五,定位格架后会出现较大的低压区。定位格架的影响区域及强度与气相流速、液相流速、空泡份额、其几何结构等直接有关。现有工况分析表明MVSG对单组两相流影响区域大于19.4 L/D小于32.1 L/D;MVSG对双组两相流的影响区域大于32.1 L/D。