由于窄流道元件的紧凑性特点,在可移动的核动力堆中得到重视。在反应堆热工水力分析中,堆芯窄流道内过冷流动沸腾阶段的汽泡演化特性对堆芯窄流道内的换热及流动特性有着重要的影响。出于对堆芯安全性的考虑,要求工质在元件出口具有较高的过冷度。现有关于过冷流动沸腾汽泡演化特性的研究大多是在常规流道中较低压力和较小主流过冷度情况下的研究成果。因此,本文在不同系统压力下对竖直矩形窄流道内高过冷流动沸腾时的汽泡演化进行了可视化实验,研究了汽泡演化的特点及影响机制;通过实验和理论的分析,提出了如汽泡生长、汽泡脱离、聚合、冷凝等汽泡演化过程的预测模型;并数值模拟了汽泡的生长、运动过程及聚合过程。研究发现,窄流道内高过冷流动沸腾条件下系统压力对汽泡生长演化特性有着重要的影响,在较低的系统压力下(p≤0.3 MPa),汽泡在核化点处生长,汽泡生长结束后直接凝结而没有发生滑移运动现象;在较高的系统压力下(p≥0.6 MPa),汽泡脱离核化点后发生滑移生长现象。随着系统压力的增加,汽泡生长速度逐渐减小。实验发现,较低压力下的汽泡生长速度远高于较高压力下的情况,在0.1 MPa下的汽泡生长速度大约是1.0 MPa下10倍左右。受力分析结果表明,压力变化导致的汽泡行为差异主要是因汽泡尺寸及单位体积潜热所导致的生长力变化所致。结合过冷流动沸腾过程中汽泡生长的特点,考虑主流过冷度和主流速度对汽泡生长的影响,引入无因次参数Ja数,Re数,以及修正系数s,建立了高过冷流动沸腾条件下汽泡生长的数学模型。模型的预测结果与实验测量结果误差在±25%范围内。模型中的修正系数s反映了主流过冷度对汽泡生长的影响程度。当壁面过热度较小时,主流过冷对汽泡生长的影响较大,使得修正系数s相对较小。而当壁面过热度较大时,主流过冷度对汽泡生长的影响较小,使得修正系数s相对较大。对汽泡凝结过程进行热平衡分析,建立分析模型,得到了汽泡在主流中凝结的直径变化预测模型,模型结果与实验结果吻合较好。对较高压力下滑移汽泡的实验研究和分析发现:随着热流密度增加,汽泡滑移距离增加,但在较高的热流密度时由于滑移汽泡较多导致汽间的聚合作用较强使得汽泡的平均滑移距离有减小的趋势。汽泡滑移距离随着质量流速的增加而减小,随着主流过冷度的增加而减小。通过建立热量平衡模型,对各个传热机制进行了分析,表明汽泡扰动所导致的传热增强是主要的强化因素,而泡底微层蒸发的传热份额并不显著,并得出了滑移汽泡和固定汽泡的扰动引起的瞬态换热量的表达式。在实验工况条件下,滑移汽泡的扰动引起的瞬态导热量的份额βtcs在0~0.35,且远大于固定汽泡的瞬态导热量份额βtcf ,两者之间的比值在1.8~10.3之间,表明汽泡沿着加热壁面的滑移运动能进一步强化换热。在对汽泡演化行为的可视化实验研究的基础上,建立了过冷流动沸腾中的单汽泡生长及运动过程的相变模型,结合Fluent中模拟汽液两相流动的VOF模型,利用UDF接口实现了相变过程的数学描述,对单汽泡生长及运动过程进行了数值模拟。考虑主流速度、主流过冷度、壁面过热度和接触角的影响,获得了过冷流动沸腾下汽泡生长曲线,结果与相应条件下的实验结果吻合较好。对汽泡生长及运动过程中的形状变化和温度场瞬态特性的分析结果表明,汽泡的生长速度,主流速度以及动态接触角对汽泡滑移运动过程中形状变化影响较大;过热层的液体温度在汽泡生长过程中梯度不发生变化。实验结果表明,随着热流密度的增加汽泡间的聚合现象逐渐增加,但是汽泡聚合特性受系统压力的影响显著。较低压力下,当热流密度不太高时汽泡聚合后被迅速凝结;而当热流密度较高时汽泡聚合后不会迅速凝结,而形成较大汽团沿着加热壁面滑移运动。较高压力下,当热流密度不太高时使得同一个核化点生长的连续汽泡相互聚合,而后沿加热壁面滑移。当热流密度较高时,加热面上的滑移汽泡个数增多,从不同核化点产生的汽泡在滑移运动中将发生聚合。通过实验结果的分析和数值模拟研究还发现,汽泡聚合可分为四个过程:i)两个汽泡相互接近;ii)相邻汽泡间形成的薄液层厚度减小,直到两个汽泡界面相互接触;iii)汽泡接触的相界面破裂;iv)两个汽泡的相互融合形成新的汽泡。其中ii)到iv)的三个过程是汽泡发生聚合的关键过程。