小型模块化反应堆(如NuScale)的安全壳容器浸没在冷却水池中,用来排出LOCA条件下安全壳内的热量。这种非能动系统的传热效率受壳外冷却水池内热分层的影响。因此,研究冷却水池内的热分层具有重要的意义。本文通过实验和数值模拟对NuScale冷却水池中的热分层现象进行了研究。根据NuScale小型堆进行模化,确定尺寸比为1/20,用不锈钢容器来模拟安全壳。在不锈钢容器内均匀布置四个加热棒,模拟堆芯衰变热。通过在冷却水池布置热电偶来测量关键位置处的温度;同时利用粒子图像测速技术PIV获得速度场。分别对4种不同加热功率下水池内的瞬时速度和温度场进行了实验研究。此外,本文还应用ANSYS FLUENT软件对水池内的瞬态速度场和温度场进行了数值模拟。实验结果表明:安全壳侧壁面附近的流体向上流动,到达顶部后转为水平流动。同时,冷却水池中出现热分层。对不同加热功率下的温度场进行分析,得到了加热功率和时间对热分层的影响。数值模拟结果表明,k-ε模型的模拟结果与实验结果吻合较好。随着加热时间的增加,热分层逐渐变强,混合界面位置向上移动。此外,在相同的计算时间内,热分层的梯度随功率的增加而增加。