随着我国核电事业的蓬勃发展,核反应堆的安全运行成为研究人员重点关注的对象,而控制棒的下落更关系着事故发生时反应堆能否安全停堆,其稳定性能非常重要,如果控制棒插入堆芯的时间过长或下落过程中出现卡棒情况,将导致难以想象的灾难性事故。本文以单根控制棒为研究对象,对控制棒自由下落过程开展了以下的理论和试验研究。(1)对控制棒组件的构成进行力学模型简化,建立了基本的计算模型;然后对控制棒下落过程中的受力情况进行详尽的分析;通过流量分析,计算得到受力分析中需要计算的物理量,完成了流体-固体的耦合计算,最终完成了控制棒下落过程中的动力学特性分析。设计了控制棒落棒模型试验,使用激光位移传感器采集了控制棒下落的位移,计算获得了下落速度与加速度,将其与理论求解的结果进行对比发现:理论计算与试验结果的位移、速度、加速度变化趋势基本一致,验证了理论计算的可靠性。(2)针对落棒过程中的敏感参数,设计了控制棒落棒变参试验,采用不同的中部出水孔以及底部泄压孔孔径组合,横向对比发现:底部泄压孔径不变时,随着中部出水孔孔径的增大,控制棒总下落时间减小,并且在经过中部缓冲段时的速度越大,但经减速段减速后,控制棒最终速度随着中部出水孔的增大其变化幅度较小。当中部出水孔孔径不变时,随着底部泄压孔孔径的增大,控制棒总下落时间同样减小,试验结束时的最终速度与加速度也越大。(3)通过试验数据与理论数据的对比,发现了产生局部误差的原因,并对局部损失因数进行优化调整,计算结果表明:优化后的结果对0-0.35s内的位移及速度曲线影响很小,而对原本误差较大的0.35s之后的位移及速度图像的理论计算结果与试验结果的误差缩小,落棒趋势进一步吻合,最大速度相对误差由11.3%降至2.3%,并改变参数进行多次对比验证了优化的可靠性。(4)利用高速摄像机技术,采用直接注入示踪剂方法,对中部出水孔及上部出口处的流动图像进行了拍摄,结果发现:各流线分布情况与理论计算中的流线基本一致,并且与其他学者的仿真结果流线规律基本一致。