当核反应堆处于失水事故时，利用堆芯补水箱（CMT）内含硼水的重力特性对堆芯进行非能动注水，实现应急堆芯冷却。但在注水初期，由于蒸汽在过冷液面上的快速冷凝，导致CMT内压力剧烈变动，注水流量小，影响反应堆安全。本文对CMT内饱和蒸汽在自由过冷液面上直接接触冷凝的瞬态特性进行了实验研究和数值模拟，得到了系统压力响应特性，CMT内液体温度场分布和汽液界面凝结换热系数等主要研究结果，并对遮流板延缓凝结特性进行了系统研究。 建立了可视化实验台对实验现象进行观察，发现在实验初期，蒸汽射流高速冲入液面层，在一倒圆锥形的两相作用区内，大部分蒸汽与深度过冷的液体混合而湮灭，仅余少量蒸汽以小汽泡的形式升至CMT汽空间。在短时间内，汽穴逐渐减小，液面开始剧烈波动，伴随着大量细小气泡的生成和消失，随着实验过程的进行，液面波动减缓，蒸汽只有少量凝结，余汽聚集成大汽团进入CMT蒸汽空间，系统压力逐渐达到平衡。在实验后期，随着液面层整体温度的升高，两相作用区逐渐消失，蒸汽在近乎水平的液面上发生较弱的凝结，系统压力基本维持不变。根据凝结现象的不同，本文提出将蒸汽的凝结过程分为“压力平衡”和“压力稳定”两个阶段。在“压力平衡”阶段，无遮流板时凝结换热系数在3105W/m2·K—9410 W/m2·K之间，有遮流板时凝结换热系数在180W/m2·K—2138 W/m2·K之间，采用遮流板后凝结换热系数降低了76%—85%，延缓凝结的效果非常明显。在“压力稳定”阶段，凝结换热系数较低，其值在50W/m2·K—100 W/m2·K之间，遮流板对这个阶段的凝结换热系数基本没有影响。在“压力平衡”阶段，凝结换热系数随初始压力的升高而增大，随初始温度的升高而降低，在“压力稳定”阶段，初始压力和初始温度的变化对凝结换热系数没有明显的影响；根据实验结果回归了有遮流板和无遮流板不同凝结模式下的平均换热系数的实验关联式，公式适用范围：PRZ初始压力200~600KPa，CMT初始温度10~80℃。无遮流板： 压力平衡阶段 压力稳定阶段有遮流板 压力平衡阶段 遮流板1# 遮流板2# <WP=6> 压力稳定阶段系统压力响应特性主要受PRZ的初始压力和CMT的初始温度影响，相同初始温度下，初始压力越高，压力平衡时间越长，平衡压力越高，相同初始压力下，初始温度越高，压力平衡时间越短。遮流板的加入缩短了系统压力平衡需要的时间，与无遮流板相比，压力平衡时间缩短了20%—70%，PRZ初始压力越高，CMT温度初始越低，缩短的程度越大。在相同的初始压力和温度下，有遮流板时的系统平衡压力高于无遮流板时的平衡压力，且随着初始压力增加，两者间的压差逐渐增大。首次采用浮动式测温装置对液面温度进行了测量，无遮流板时，由于汽流冲入的搅动作用，液面径向各点的温度产生震荡，温度分布不均匀，PRZ的初始压力和CMT水的初始温度越高，液面震荡的幅度越大，持续的时间越长。有遮流板时，液面的波动小，径向温度分布比较均匀，温度升高的幅度小于无遮流板的情况，遮流板直径增大，表面温度的波动减小。CMT内水的轴向温度分布具有热分层特性，上部为热水层，下部为冷水层，热水层内温度变化剧烈,吸收了蒸汽在液面凝结放出的大部分热量。而冷水层的温度在实验过程中基本保持不变。无遮流板时，热水层厚度在42-370mm之间，在相同的初始温度下，PRZ初始压力越高，热水层厚度越大，在相同的初始压力下，初始温度越高，热水层厚度越大，比较而言，压力对热水层厚度的影响程度比温度更大一些。有遮流板时，热水层厚度在15-57mm之间，与无遮流板相比，热水层厚度减少了59.5%-84.6%。在相同的初始温度下，PRZ初始压力越高，热水层厚度越大，在相同的初始压力下，初始温度对热水层厚度影响较小。本文采用能量守恒原理，提出了热水层厚度的一种计算方法，并回归了实验关联式。在数值模拟计算中，采用VOF模型，可以模拟出CMT内汽液界面的变化趋势及蒸汽空间的速度场分布，与实验结果基本一致，但由于没有考虑凝结方程，在平衡时间上相差较大；引入“热水层”厚度和汽液界面凝结换热系数实验关联式，采用非稳态导热方程，提出了过冷液面上蒸汽的凝结量的计算方法，数值计算结果与实验值吻合较好。