混合对流是反应堆系统中重要的运行模式,得到了广泛的关注和研究。现有研究主要针对系统宏观性能,如系统循环流量,总体传热性能等,但是对于微观的流动和传热机理研究较少,现有流动传热和阻力分析方法不够直观明确,对于传热和阻力的耦合作用没有解释清楚。基于现有不足,本文对矩形通道内单相水的混合对流过程,从以下几个方面开展研究:　　 流场结构可视化研究。为了研究加热条件下传热和阻力的机理,有必要对比受热条件和绝热条件下流场结构的异同。本文专门设计了可视化实验装置,并采用“示踪粒子”法对流场结构进行定性观测。结果表明,浮升力作用下,流场中确实存在“层流化”现象,并且在不同的Re数条件下,流场结构差别明显,“层流化”现象直接导致了不同浮升力作用下传热和阻力特性的不同。这个结论验证了已有理论分析和数值模拟的猜想。　　 流动和传热实验研究。在竖直向上矩形通道内进行实验研究,得到了混合对流条件下单相水的混合流动和传热的实验数据,给出了典型的Re数和加热功率下的研究结果,在此基础上分析了Nu数和摩擦阻力系数特性。研究结果表明,浮升力大小是影响流动传热性能的重要因素,本文实验范围内,传热能力随着肋数的增加而增加,强化传热能力越来越强。浮升力作用下,摩擦阻力系数的变化趋势和传热类似,也随着Bo数的增加而迅速增大,在强化传热的同时阻力也有所增加,但是阻力的曲线形状和传热情况有所差别。　　 传热和阻力分析方法研究。本文提出了新的流动传热分析方法,通过分析对比传热和摩擦阻力的参数表达形式,发现可以采用相似的研究思路分析传热和摩擦阻力问题,均可用物理量(热量或者动量)的“传递阻碍”程度来描述;根据动量和能量传递过程中受到的阻碍特性,提出了描述传热和摩擦阻力性能的表达形式,将能量、动量传递能力和流场结构联系起来。给出了权重系数的空间分布,指明了强化传热或者减小摩擦阻力的关键,即改变权重系数最大位置处的流场结构。相比传统流体力学分析方法,该方法具有诸多优点:将速度场和传热能力、阻力性能三者有机的统一起来,同时能够分析传热和摩擦阻力相互耦合的状况;权重系数概念的提出,有助于抓住主要矛盾,集中注意力分析局部效应(尤其是权重系数最大的位置),能够将宏观特性和微观机理有机结合起来,具有简明扼要、概念清晰的特点;该方法不但适用于混合对流的阻力研究,而且能够分析三大守恒方程适用的任何问题,在反应堆系统,特别是大型先进压水堆的热工水力和安全领域具有广泛的应用前景。同时,对于常规工业过程的“强化传热”和“摩擦减阻”的研究也有指导作用。　　 数值模拟研究。针对上述实验研究结果和提出的分析方法,本文开展相应的数值模拟工作,对矩形通道内的流动传热过程进行分析,得到典型的速度场和温度场信息,在此基础上计算传热和阻力性能,并利用新的研究方法进行分析。为了对比流道形状对流动传热的影响,还研究了多种截面形状下的对流传热过程。结果表明,数值模拟结果和实验研究结果的趋势完全一致,数值模拟结果验证了“层流化”现象,不同形状流道对传热的影响性能差别明显,不能够简单用当量直径的方法掩盖流道形状对流动传热的影响。