在某小型模块化反应堆的设计中,安全壳上封头浸没在外部水池内。发生严重事故后,安全壳内部的热量通过上封头外部的自然对流移出,从而保持对反应堆的长期有效冷却,提高了反应堆的固有安全性。研究安全壳上封头的自然对流换热现象与特点,对于分析严重事故下堆芯的安全特性十分重要。本文基于安全壳上封头外部自然对流的研究背景,以矩形封闭腔内底部弧形面加热产生的自然对流为研究对象,开展了实验研究。使用高精度热电偶测量了不同加热工况下弧形加热段的温度分布,并使用L形测温结构测量了矩形腔内的热分层特性,同时利用粒子图像测速技术开展了局部流场可视化测量并分析了弧形结构对自然对流流动结构的影响规律。通过对自然对流热态实验数据的分析处理,研究了弧形加热段对换热特性的影响规律并对现有的换热关系式进行了分析和评估,并利用标准的可视化数据分析流程,获得了弧形加热面附近的速度场和湍动能分布特性。基于温度和速度的测量结果,识别了弧形加热面对自然对流换热过程的影响机理,并拟合出适用于描述弧形加热段换热特性的关系式。基于数值模拟方法,通过考虑固体域和流体域的传热,研究了与实验工况相同条件下的二维自然对流换热问题,评估并分析了不同湍流模型和湍流热通量模型条件下弧形加热段换热特性的分布规律。基于实验数据,对湍流热通量模型进行了优化和改进。修正后的湍流热通量模型能够有效地提高对矩形腔内弧形加热段产生的自然对流换热特性的预测精度。并基于参数优化后的模型,模拟分析了矩形腔内弧形加热段产生的流动与换热特性。本文的实验与数值研究结果将能够用于反应堆热工水力分析及数值模型开发工作中,对于提高事故工况下反应堆的可靠性具有重要意义。