在核动力系统中，非能动安全技术对系统安全性的保障作用越来越突出。自然循环作为重要的非能动技术之一，在核电及核供热部门中具有极大的应用前景。然而，在自然循环条件下发生的流动不稳定性却使系统设备面临机械疲劳、控制失效、热冲击等多种危害，制约了自然循环在核动力系统中的应用。因此，针对自然循环流动不稳定性发生期间，系统热工水力特性及局部传热特性的研究对自然循环的应用推广具有重要意义。值得一提的是，反应堆释热功率分布的特殊性给自然循环技术在核动力系统中的应用提出了新的挑战。本文以实验结合数值模拟的方法，开展了自然循环流动不稳定性的相关研究，同时讨论了轴向非均匀加热对自然循环系统流动不稳定性的影响。
　　首先，设计并加工了能实现轴向余弦加热的圆管型实验本体，并结合电阻加热原理及加工工艺水平对设计方案进行了逐步优化，改进了通道的外径型线。通过理论推导和实验研究两种方式，研究了自然循环稳态条件下轴向非均匀加热通道的壁温分布规律，包括壁温峰值的位置、过余温度的影响、流体温度的非线性分布等。针对轴向非均匀加热实验通道，开展了单相流动与传热特性的实验研究，验证了该实验通道对轴向余弦热流密度分布的模拟能力。
　　基于均匀热流密度分布的圆管型实验通道的稳态导热微分方程，通过理论推导得到了非稳态边界条件下的壁面温度场，并将其扩展到轴向余弦加热的实验通道。根据理论推导结果，通过分析指出非均匀加热壁面厚度的轴向变化对傅立叶数的影响，是造成非稳态边界条件下内、外壁面温度幅值和相位差异的主要原因。
　　在轴向热流密度均匀分布与非均匀分布的两种实验通道中，分别开展了低压闭式自然循环流动不稳定性的实验研究。在均匀热流密度通道中，根据流动不稳定性期间的参数规律特征，总结得到了两种典型的流动不稳定模式，包括间歇泉流动不稳定性和复合动态流动不稳定性。对不稳定期间加热通道内局部传热特性进行了深入研究，并从流型变化的角度分析了流量脉动各阶段的传热类型及规律，给出了局部换热特性的机理解释。结果表明，热流密度的高低是两种现象的直接判据，而局部特性与系统特性两者对自然循环影响的此消彼长，是造成这两种流动不稳定性差异的根本原因。
　　开展了非均匀加热条件对自然循环流动不稳定性影响的实验研究，分别从局部传热特性与系统特性的角度给出了流动不稳定性的机理解释。通过升功率与降功率两个过程的连续性实验，得到了该通道发生流动不稳定性的起始点与消失点，给出了均匀与非均匀两种加热方式下自然循环系统的稳定性边界。
　　针对低压闭式自然循环系统的稳态、变功率和周期性振荡等工况进行了实验研究。并根据自然循环的基本原理，将驱动压头细化，利用RELAP5程序明确了惯性力作用是造成自然循环流动不稳定性模拟偏离的主要因素。通过比较各类流动不稳定性出现时驱动压头与动能的关系，阐述了长直上升段内闪蒸与冷凝在不同工况下的作用规律。结果表明，当实验段热流密度低于两种流动不稳定性的界限热流密度时，闪蒸随热流密度的增加而增强，加热段热流密度高于界限热流密度后，闪蒸随着热流密度的提高而被抑制。
　　基于RELAP5/MOD3.4程序分析了自然循环稳态及瞬态工况下的热工水力特性，通过实验验证解决了建模过程中的粗糙网格划分所引入的离散问题。提出了无关性检验的修正判据，指出通过限制回路中所有构件的最大值库郎数，可以有效提高瞬态自然循环瞬态模拟的准确性与稳定性，并评估了RELAP5对低压两相自然循环的分析能力。