核反应堆倘若发生严重事故,熔融状态的堆芯物质可能与冷却剂发生相互作用（FCI）引发蒸汽爆炸。产生的冲击波可能破坏周围结构,增加放射性裂变产物释放到周围环境的风险。因此,FCI及可能引发的蒸汽爆炸现象成为了核安全领域的研究热点。对于FCI的研究,目前国际上已经形成了一套以实验研究和数值模拟构成的研究体系。然而受制于FCI过程的复杂性,传统实验研究在过程控制和数据采集上面临困境。随着数值模拟技术的发展,国际上开发了众多大型蒸汽爆炸分析程序用于对FCI完整过程进行模拟。然而FCI涉及到多尺度相界面共存的复杂流型,其中既存在具有大尺度界面的熔融物液柱和连续气液相,也存在具有小尺度界面的熔滴、碎片、气泡和液滴。对于传统多相流模型,界面跟踪模型仅能对大尺度自由界面进行模拟,而多流体模型仅适用于模拟离散相的平均流动特性。因此,使用这类多相流模型对FCI中的多尺度多相流过程进行模拟时会存在诸多局限性,已有蒸汽爆炸分析程序中的多相流模型有待进一步完善。此外,由于FCI中关键现象熔融物水力学碎化的相关机理尚未完全解明,其物理模型的不完善阻碍了对FCI后果的准确预测。另外,随着我国三代核电技术研发及核电软件自主化的大力开展,自主化的蒸汽爆炸分析程序作为严重事故程序中一个重要的组成部分得到了迫切需求。针对上述问题和需求,本文进行了如下主要工作:针对FCI过程中的多相流特点,本文将界面跟踪模型与多流体模型耦合在了一套统一的求解框架下,建立了适用于FCI模拟的多尺度界面模型。该模型可以模拟大尺度界面相和小尺度界面相共存的复杂多相流问题,弥补了传统多相流模型的不足;基于VOF/PLIC算法和MCBA-SIMPLE算法开发了带多尺度界面的多相流全速算法,以满足FCI多相流过程的模拟需求。基于上述数值方法,本文独立开发了多维熔融物与冷却剂相互作用热工水力分析程序METRIC（Melt and Water Interaction Code）,弥补了国内在多维蒸汽爆炸分析程序开发上的空白。本文通过典型算例对程序进行了验证测试,证明了当前程序具备模拟FCI过程中关键物理现象的功能性和适用性。针对熔融物水力学碎化行为的机理现象,本文对其进行了直接数值模拟研究。对于液柱碎化,模拟研究发现液柱碎化涉及前沿碎化和主体碎化;不同Weber数下液柱的碎化模式具有较大差异;在高Weber数下,液柱碎化主要受侧面不稳定波的发展和剥离效应主导;本文基于Epstein关系式建立了新的液柱碎化模型。对于熔滴水力学碎化,模拟研究发现熔滴碎化过程分为变形和碎化两个阶段;不同Weber数下的熔滴碎化模式差异较大;对于对熔融物总表面积贡献最大的瓦解模式,熔滴的碎化主要受变形和Rayleigh-Taylor（R-T）不稳定波共同作用;最后本文考虑熔滴变形效应,建立了新的熔滴水力学碎化模型。本文将新的液柱碎化模型和熔滴水力学碎化模型用于所开发的METRIC程序对典型FCI实验工况进行了模拟并对程序的模拟能力进行了确认。对典型粗混合实验工况KROTOS 37和KROTOS 42粗混合阶段的模拟研究发现:METRIC程序具备模拟粗混合阶段中液柱碎化、冷却剂沸腾相变等关键物理现象的能力;对于冷却剂蒸发量,新的液柱碎化模型的预测结果较Saito模型和Meignen模型更接近实验值;此外,本文分析认为粗混合过程中熔融状态的熔滴份额是引发蒸汽爆炸的关键参数之一。对典型爆炸实验工况KROTOS 21和KROTOS 42爆炸阶段的模拟研究发现:METRIC程序具备对爆炸阶段压力波传播叠加、熔滴精细碎化、碎片增殖等关键过程进行模拟的能力;通过与实验值和国外同类程序计算结果进行对比,本文认为当前程序计算结果与参考结果定性符合,定量偏差在可接受范围内;计算表明新的熔滴水力学碎化模型能够使得模拟得到的压力幅值有效逼近实验值,压力波传播速度的预测结果较原模型有所改善;而对于熔滴的碎化比例,新模型较原模型能给出更为准确的预测结果。最后,本文使用METRIC程序对典型压水堆堆外蒸汽爆炸进行了模拟并对爆炸后果进行了评估。计算表明在粗混合的1.1s时刻,熔融物与液体冷却剂达到了较为充分的混合状态,是发生蒸汽爆炸可能性最大的时刻;在爆炸阶段,堆坑壁面所承受的压力冲量超过0.12MPa.s,此时堆外蒸汽爆炸将对压水堆堆坑造成一定破坏。综上所述,本文基于所提出的新的多相流方法开发了适用于模拟FCI完整过程的多维蒸汽爆炸分析程序,为真实反应堆系统下蒸汽爆炸事故的分析和评估提供了数值工具。通过对该程序进行验证、确认和应用,本文认为当前程序具备国际上同类程序的模拟功能和精度;此外,本文对熔融物水力学碎化行为进行了直接模拟研究,并建立了新的熔融物水力学碎化模型,这对水力学碎化机理现象的认识和改善蒸汽爆炸程序模拟的准确性具有一定的参考价值。