自然循环在诸如核反应堆非能动安全设施、自然循环锅炉、冷中子源系统、大型电机蒸发冷却以及航天循环预冷等许多工业系统和领域有着广泛应用，因此其重要性日益受到关注。但由于自然循环的系统特性与局域传输特征间耦合、分布自然力驱动机制及非线性反馈形式较复杂，常规集总分析难以对自然循环许多特殊热工水力现象与精细动态行为形成规律性认识；同时，目前国内外自然循环研究多以实验、理论分析为主，无论实验或分析手段都受到较多限制。 本文试图结合特定自然循环系统相关特点及其分析需求，基于有关模型与研究成果，以分析工具开发和机理研究为目标，从数值计算和模拟入手，对相关自然循环系统的稳态热工水力特性、瞬态传输与演化行为进行研究。 全文主要分为两部分： （1）自然循环系统稳态水动力特性的数值分析 首先，针对典型两相自然循环回路，基于均相模型，运用非线性数值方法，研究两相自然循环系统水动力特性，尤其是静态流量漂移解图，并结合相关实验结果，验证讨论了实际流量漂移发生点。进一步分析了两相自然循环系统在特定条件下静态流量漂移机制及其迟滞效应，及压力、入口阻力等参数对系统水动力特征的影响。 其次，针对某简化的超临界压力水自然循环与强制循环回路，结合超临界水物性与动量能量传输特征，建立统一的一维水动力模型，运用基于延拓的非线性数值方法进行数值求解与分析。比较研究了超临界压力自然循环与强制循环的流量-热负荷关系、系统输热特征，并讨论了加热段入口温度、系统几何、局部阻力、循环泵特性等参数对超临界压力水循环系统水动力特征的影响。 （2）两相自然循环系统瞬态热工水力行为的数值模拟 针对工作于自然循环原理的某两相循环预冷回路，采用一维两流体模型，并耦合二维非稳态壁面动力学模型，结合适用的多相传输本构关系与工质状态方程，对系统自然循环的瞬态热质传输与动量传递过程进行数理建模，进而基于有限容积法、区域化求解技术与SIMPLE算法，进行主控模型方程的耦合求解，得到回路中流动传热主要参数瞬态分布与演变规律。结合计算模拟结果，本文还分析讨论了循环预冷操作的相关机理特点，并考察了参数效应。 本文的工作力图初步形成自然循环的系统、局域热工水力稳态和瞬态特性的数值研究分析框架，为今后进一步全面、深入探索自然循环复杂的系统特征与规律奠定基础。