自然分层法是水蓄冷技术中最经济、有效的方法。其核心技术在于布水器的设计。布水器性能越优越,蓄冷效率越高,但蓄冷效率的高低受运行流量、温差的影响显著。随着科技发展需求,众多大科学实验装置应运而生。其电力消耗往往较大,大多需要配备大型冷却系统。其中多数装置考虑到节约运行成本,减小制冷机组规模,会选择水蓄冷的方式。但不同于普通空调水蓄冷系统,其运行工况往往较为极端,且对供冷温度要求苛刻。稳态强磁场实验装置水蓄冷系统最大运行流量超过1000m3/h,最大运行温差接近20℃,蓄冷温度6℃,供冷温度一般不高于7.5℃。本文将依托该装置,对大流量大温差特征的自然分层型水蓄冷系统进行深入研究,解决具有极端运行工况的大型水蓄冷装置蓄冷效率不理想的问题。稳态强磁场实验装置水系统蓄冷量不足严重限制水冷磁体运行,而系统原有的双罐倒空水蓄冷模式难以提升蓄冷量。基于现有双罐,若采用自然分层法,实现双罐蓄供冷,则可从根本上解决冷量不足的问题。其关键在于适用于大流量大温差工况的高效布水方案设计。基于能量守恒定律,针对自然分层型水蓄冷提出了一维非稳态能量微分方程。通过建立导热离散方程,结合系统实际运行工况,指出单纯导热并非斜温层的最主要成因,与布水性能相关的对流掺杂才是决定斜温层厚度的关键。优化了早期设计的八角型布水器加散流喷头方案,对比了不同喷头结构出流的水力扰动特性。设计并安装了布水器测试平台,展开了针对八角型及径向圆盘型布水器基于不同设计参数、不同布水配置下的实验研究。指出:相同出口流速下,圆盘直径及开缝高度的配比对径向型布水器的分层效果影响显著,且大雷诺数下的径向圆盘型布水器也可获得较好的分层效果;在相同的出口流速及一定的容忍度下,八角型布水器的斜温层效果更佳,但与径向型相差不大。此外,通过实验对比,得出合理设计的八角型布水器配置均流孔板,可获得理想的蓄冷效率。由于大量喷头不便维护且会形成一定的末端流阻,因此喷头的使用要综合考虑系统水泵的配置及检修的可操作性。结合大科学装置运行特点,确定了缓冲罐布水方案,并展开了新、旧布水方案的性能对比及流量、温差对蓄冷效率影响的实验研究。实验验证了新布水方案在大流量、大温差运行工况下蓄冷效率可达88%,性能明显优于原蓄冷罐布水方案。同时指出大型水蓄冷装置的布水设计不仅需要考虑良好的蓄冷效率,还应结构简单,易于维护。基于八角型布水器加均流孔板方案,展开了针对布水管出流方式以及均流孔板开孔参数的仿真优化研究。指出:圆孔垂直出流或两侧对称出流的布水性能优于条缝型开孔出流;当均流孔板的开孔率为20%时,斜温层厚度较开孔率35%、45%更理想;相同开孔率下开孔孔径不宜过小。结合上述研究结论,提出了未来待建大型水蓄冷装置的布水方案,并进行了初步性能验证。