压水堆堆芯基本结构为棒束通道,在一些事故工况下,或是一体化反应堆中,自然循环工况是核反应堆系统的重要运行模式,因此了解自然循环工况棒束通道内的流动特性对于核反应堆的安全至关重要。特别是在海洋条件下由于附加惯性力的影响和核动力装置空间位置的周期性变化,棒束通道内的流量和摩擦阻力系数等都会发生周期性的波动,从而影响核动力装置的运行和安全。本文通过实验与数值模拟的研究方式对自然循环工况棒束通道内流动特性深入分析,通过开发一维用户程序（User Code）实现稳态与摇摆工况下用户程序与STAR-CCM+的耦合模拟,进而实现对自然循环系统中棒束通道流动特性的数值研究。通过对竖直条件下棒束通道的流动特性实验研究发现,自然循环条件下棒束通道的摩擦阻力系数与流体的物性参数和棒束通道的尺寸有关。针对不同的流动区域,分别探讨了摩擦阻力系数与雷诺数之间的关系,得到了层流区和过渡区的摩擦阻力系数与雷诺数的关系式。在考虑了流体物性参数对摩擦阻力系数的影响后,引入了运动黏度修正因子对上述关系式进行修正,最终得到了摩擦阻力系数的预测关系式。经验证,该关系式与实验数据的相对误差在±5%以内,预测效果很好。接着对摇摆条件下棒束通道的流动特性进行实验研究,可以发现自然循环条件下棒束通道的摩擦阻力系数随摇摆条件的变化而变化:摇摆幅值或摇摆频率越大,瞬时摩擦阻力系数的平均值越大,波动幅度也越大。它也受到流体物性参数的影响:通道中流体温度越高、流体速度越快,即棒束通道加热功率越高、稳态雷诺数越大,会导致摩擦阻力系数减小,且其波动也会减小。同样通过引入运动黏度修正因子的方法建立了不同摇摆条件及加热条件下瞬时摩擦阻力系数的预测关系式,并将其与大量的实验数据进行了对比,可以发现该关系式适用范围广、通用性好,可用于层流区与过渡区工况下的瞬时摩擦阻力系数计算,并且预测结果与实验值符合较好。通过对竖直和倾斜条件下棒束通道流动特性的三维计算流体动力学（CFD）数值模拟研究,确定了稳态条件下加热棒束通道中层流与湍流流体的充分发展段位置,针对充分发展段内的流体进行了精细化的分析,研究了沿棒束通道轴向流体的阻力特性变化,分析了沿加热通道的流场变化规律。另外,在较宽雷诺数范围对竖直条件下的棒束通道摩擦阻力系数进行了研究,根据不同雷诺数范围内摩擦阻力系数的不同变化规律进行了分区,发现倾斜条件下的摩擦阻力系数与竖直条件下的无明显差别,可以认为倾斜条件对棒束通道阻力特性的影响可以忽略。为探究稳态与摇摆工况下自然循环系统中棒束通道内的流动特性,采用将三维CFD软件STAR-CCM+与一维用户程序耦合的方法进行数值研究。通过三维软件模拟棒束通道,一维自编用户程序模拟除棒束通道外的自然循环回路其他部分的方法,实现对整个自然循环系统的模拟。在耦合研究中将用户程序源代码编译链接为动态链接库（DLL）,并将其加载到STAR-CCM+中,以便耦合求解过程中能够在二者之间互换数据,从而实现了用户程序与STAR-CCM+的耦合。对于摇摆工况,通过在用户程序中建立摇摆条件下的动态数学模型以及在STAR-CCM+中添加旋转运动的方法实现摇摆条件下对自然循环系统的耦合研究。为证明耦合模拟结果的准确性及合理性,进行相同工况下的仅用CFD的数值模拟,将这两种数值模拟得到的自然循环冷却剂流速和棒束通道压降结果与实验结果比较,可以发现耦合模拟较CFD模拟的研究结果更接近实验值,说明STAR-CCM+与用户程序耦合模拟研究更能准确预测自然循环工况棒束通道内的流动特性,方法可行性得以保证。另外,耦合模拟是可以独立于实验进行的,相比CFD模拟的方法其实用性更好。耦合模拟能够得到自然循环工况下棒束通道中精细化的流场,能进一步分析棒束通道内的阻力特性,并可用于换热等问题的研究。本文详细介绍了STAR-CCM+与用户程序耦合模拟的方法,为自然循环等回路系统的多尺度耦合研究提供参考和铺垫。本文从三个方面对自然循环系统中棒束通道冷却剂流动特性进行了研究。首先在实验研究方面重点对摩擦阻力系数进行了分析,引入运动黏度修正因子并增强了摩擦阻力系数计算公式的普适性;其次通过数值模拟对加热棒束通道内的流场精细分析并阐释了其流动规律;最后利用三维CFD软件STAR-CCM+与一维用户程序耦合的研究方法,实现棒束通道在自然循环条件下的研究,可为今后在自然循环上的研究扩充实验范围、减少实验依赖性。