球床水冷反应堆是一种将轻水反应堆技术和球形燃料元件相结合的新概念反应堆,它具有设计简单、模块化建造、长寿命、固有安全性高和防止核扩散能力强等优点。反应堆的堆芯紧密填充球形颗粒燃料,构成球床通道,对其内部单相和两相流动特性研究将为球床水冷反应堆的设计和安全分析提供可靠的实验依据和技术支持。本文对管径为50mm,球径分别为2mm、3mm、5mm和8mm构成的球床通道内单相水和气液两相流动特性开展实验研究和数值模拟。主要研究工作如下:1.搭建了球床通道内单相流动实验台,并在此基础上进行了多尺寸、全范围单相流动阻力实验研究。结果表明:以孔隙流速和水力直径为特征速度和特征尺寸的修正雷诺数,能够较好地体现出不同结构参数下球床通道内统一的流动规律。根据整体阻力特性和局部流动信息将球床通道内单相流区划分为Darcy区、Forchheimer过渡区和湍流区。通过本文实验数据对文献中单相阻力计算关系式验证表明:KTA公式不仅表达式结构形式简洁,而且在整个实验范围内具有较高的计算精度,另外,通过本文实验数据的考察,同时也扩展了 KTA公式的适用范围。2.开展了随机填充球床通道内单相流动数值模拟分析,围绕球体随机堆积结构的建立、接触区处理方法以及网格生成等关键性问题进行了深入探讨。利用离散单元法构建随机堆积球床通道几何模型,通过减小摩擦系数的方法来提高球体的密实程度。采用搭桥法对通道内球体间及球体与管壁间的接触问题进行处理,并开发了相应的网格划分操作程序。在已验证模型的基础上开展了高雷诺数下流动阻力计算,分析了不同雷诺数下、通道内压力分布以及速度分布。最后对球床通道内层流和湍流两种流动状态下的阻力和传热特性进行网格适用性分析,从而确定合理的网格划分准则。3.通过高速摄影仪对球床通道内气液两相流型进行了可视化研究。在竖直向上流动条件下,球床通道内气液两相流动中出现的典型流型有:泡状流、脉冲流和环状流。其中脉冲流根据不同气液流量又可分为:液柱脉冲流、乳沫脉冲流和环状脉冲流。在球床通道气液两相流型图中,脉冲流占据绝大范围。随着液相表观流速的增加,液相的湍流效应增强,使泡状流区域增大。球径越小,流型从泡状流向脉冲流转变提前。4.对球床通道内两相流动空泡份额进行了实验研究。结果表明:同一工况下,球径越小空泡份额也越小;空泡份额总是小于体积含气率,.这与传统通道内空泡份额变化规律一致。但在不同液相流量下,空泡份额与体积含气率呈现出非线性和线性两种变化规律,这主要与不同液相流量下的流型具有密切关系。在漂移流模型的基础上得到了球床通道内空泡份额计算关系式,其计算值与本文实验值符合良好。综合本文与文献两方面实验数据的验证,漂移流模型能够很好表现出球床通道内的空泡份额变化规律。5.对高雷诺数下球床通道内气液两相流动阻力特性进行了实验研究。分析了气液流量、流型以及球床参数对两相流动阻力的影响。结果表明:球床参数对两相阻力影响较大。对现有基于分相流模型的两相阻力关系式进行了评价,应用Lockhart-Martinelli方法,提出了新的两相阻力关系式,该关系式计算值与本文实验数据符合良好。