由于开式自然循环系统具有结构简单、排热能力强、安全性好等优点,已被广泛地应用于非能动安全技术领域中。然而,在长期运行工况下,开式自然循环系统易发生闪蒸流动不稳定现象,这将对系统的排热性能及安全运行产生不利影响。为此,本文采用向上升段注气的方式,来提高系统的驱动压头,增强排热能力,抑制流动不稳定的发生,从而使系统运行更加稳定。本文分别基于冷态和热态条件下对注气驱动的开式自然循环流动特性进行实验研究。在冷态实验条件下,详细分析了不同注气方式下上升段流型的演变规律,发现多孔介质对注入空气的碎化作用是导致流型差异的主要原因;结合Wire-Mesh传感器测量系统,总结了不同注气方式下空泡份额随着注气量的变化规律,并将其与常用的三种空泡份额计算模型进行比较,推导出适用于多孔介质管注气的空泡份额计算公式。此外,根据空泡份额时序变化特性以及径向分布规律建立了典型空泡份额相分布与流型的对应关系,并从气泡受力的角度分析了影响其分布规律的内在机理;最后,对影响系统循环流量主要因素进行分析,并根据两相段的阻力特性,提出将自然循环驱动力与两相段阻力之比作为自然循环能力提升效果的评价依据。结果表明对于直接注气方式,自然循环系统最佳注气量应为使两相流动型式处于弹状流的下限处;而对于多孔介质管注气方式来讲,其最佳注气量应为使上升段中形成弹帽-弥散泡状流的下限处。基于热态实验研究发现,对于定功率的开式自然循环系统来讲,系统运行先后经历了单相稳定流动、两相振荡流动以及两相稳定流动,其中两相振荡流动主要是由于高温液体在上升过程中发生流动闪蒸导致的;详细分析了闪蒸不稳定流动的产生机理,并结合可视化观察,对两相稳定流动阶段上升段闪蒸的流型进行了总结归纳,绘制出稳定闪蒸的流型图;此外,还研究了注气对系统不同运行阶段的影响。两相振荡流动阶段注气不仅可以明显抑制闪蒸流动不稳定现象的发生,还使得自然循环系统可以提前进入两相稳定流动阶段;两相稳定流动阶段注气可以显著提升系统的循环流量,实验中最大提升流量可达44%。但受上升段长度的限制,随着注气量的增加,系统循环流量的增长速率逐渐放缓。而此时,改变注气方式发现相比于直接注气方式,使用多孔介质管注气并不能显著增加系统流量。