201 1年3月11日,东日本大地震发生,日本福岛核电站出现了严重的核泄漏事故,举世皆惊。为避免此类事故,世界各国均迅速开展了不依赖外部电源或水源的非能动安全壳冷却系统（Passive Containment Cooling System,PCCS）的研究。环路热管（Loop Heat Pipe,LHP）广泛应用于空间设备等热控制系统。LHP同时也是一种很有潜力的核反应堆非能动冷却方式。基于此,研究者提出了一种新型的非能动安全壳冷却技术（LHP-PCCS）。然而,由于安全壳内本身存在空气,不凝性气体的存在会严重影响到凝结的换热系数。再者,环路热管抽真空过程中也会残留空气,降低回路内蒸汽在凝结器内的凝结换热。研究不凝性气体对蒸发器管外以及凝结器管内水蒸汽凝结换热的影响,提出强化换热措施,建立LHP-PCCS传热系统模型,并评价换热强化措施对LHP-PCCS传热性能的影响具有重要的理论意义,对实现我国三代核电技术型号优化升级,进一步提高机组安全性和经济性具有重要的应用价值。本文设计并搭建竖直管外含不凝性气体凝结换热可视化实验台,通过选用不同表面特性的实验管,分别开展竖直管外含不凝性气体膜状凝结和珠状凝结换热的实验研究。针对膜状凝结换热,基于扩散层理论建立了凝结热阻模型,量化了凝结换热过程的液膜热阻和不凝性气体层热阻,采用迭代计算的方式确定了膜状凝结中的气液界面温度,进而探究了含不凝性气体膜状凝结换热特性,并分析了空气摩尔分数、壁面过冷度及蒸汽分压对含不凝性气体膜状凝结换热的影响机理。针对珠状凝结换热,研究了表面改性管外含不凝性气体珠状凝结的传热特性,并与相同工况下的膜状凝结换热性能进行了对比。对比结果表明,珠状凝结能够显著强化含不凝性气体膜状凝结的换热能力,然而,强化效果会随着空气摩尔分数的增大而减小,当空气摩尔分数为30%时,珠状凝结强化换热效果为33.7%。本文通过数值模拟研究了多通道凝结器内蒸汽-空气混合气体凝结传热传质过程。混合气体的流动及传热通过质量、动量、能量和组分输运方程求解,液膜采用欧拉液膜模型进行独立计算,气相和液相之间的耦合计算则通过基于扩散层理论的相变模型来实现。数值模拟结果如下:大量空气分布于凝结器的冷凝管束中,而非上、下集箱内。空气在冷凝管内的聚集减少了纯蒸汽凝结的有效换热面积,同时,冷凝管内壁面的表面换热系数也会受到内部流场的影响,因此,凝结器的整体换热性能随着内部空气质量的增加而线性下降。通过为凝结器上集箱设置合适的均压孔板,能够有效地改善凝结器的换热性能。与无均压孔板的凝结器相比,结构改进后的凝结器内绝大多数空气进入下集箱,凝结器换热性能大幅提升,最高可达87.8%。基于以上的局部含不凝性气体凝结研究,本文进一步分析LHP-PCCS回路内流动及传热耦合过程,建立LHP-PCCS热工水力学整体模型。基于系统总换热面积最小为目标函数,提出LHP-PCCS两相回路的设计新方法,开发Matlab代码,求解LHP-PCCS结构尺寸、饱和工质温度和最佳充液率。在此基础上,建立了包含安全壳内及回路内不凝性气体影响的LHP-PCCS性能评价模型,研究安全壳内空气质量分数和回路运行前空气分压力对LHP-PCCS两相回路传热特性的影响规律及机制。结合蒸发器外珠状凝结换热强化措施,以及凝结器结构改进措施,通过求解热工水力学模型分析了凝结换热强化后的PCCS传热性能。结果表明,珠状凝结换热强化能为非能动安全壳冷却系统传热功率带来11.9～12.8%的增幅;在系统内存在不凝性气体的情况下,凝结器结构改进能够为系统传热功率带来13.8%～42.5%的增幅,增幅大小随着回路运行前空气分压力的增大而逐渐提升。