目前，在第三代先进压水堆冷屏蔽电机主泵设计中，为了避免事故情况下发生熔堆事故，主泵转子系统设计有大转动惯量的飞轮。飞轮的设计受限于狭小的安装空间以及高温水环境中，为减小飞轮体积，飞轮设计采用了双金属多环结构。因此，在主泵正常工作时，飞轮会与周围的流体介质产生较大的水摩损失，同时含有轴向温度梯度的间隙流场，其流场形态直接影响到温度的分布和变化，进而对飞轮结构完整性造成影响，而且飞轮环向壁面所承受的流体力也会对整个飞轮-转子系统的稳定性造成影响。　　本文是以大型屏蔽电机主泵飞轮及其间隙流场所存在的工程问题作为研究的出发点，主要研究内容包括：飞轮间隙流场数值模拟中湍流模型的研究，飞轮间隙流场传热机理的数值和实验研究，飞轮环向间隙流场对飞轮-转子系统稳定性影响的研究、双金属多环结构飞轮设计方法研究。具体的研究内容及结论如下：　　（1）飞轮间隙流数值模拟中PANS模型（Partially-Averaged Navier-Stokes）的研究。本文应用半隐式的涡粘格式计算得到湍流粘度系数引入到PANS模型，修正了雷诺应力各向同性的缺陷，实现了DNS和RANS之间的平滑过渡，并与公开的实验数据进行对比，成功预测出压力驱动的二次流，进一步与已有湍流Taylor-Couette流传热实验进行对比，验证了本文提出的PANS模型在湍流Taylor-Couette流传热问题的适用性。　　（2）核主泵飞轮间隙流场形态及其传热机理的研究。采用PANS模型对飞轮间隙流场进行数值模拟，研究发现飞轮间隙流场中不仅存在大尺度湍流运动—Taylor涡，同时在贴近壁面位置，还存在小尺度湍流运动—G?rtler涡。进一步研究不同尺度湍流运动对流场传热的影响，发现上述两个不同尺度的湍流运动会形成两个温度混合过程，并对局部的温度分布造成一定程度的影响。　　（3）湍流Taylor-Couette流传热特性的实验研究。基于搭建的湍流Taylor-Couette流传热实验平台，开展了存在轴向温度梯度和端部流动的传热实验。实验结果表明，随着间隙流场湍流强度增强，加快了温度混合的过程，流场上部高温侧的热量传递到低温侧的速度加快。同时，测试段下部的端部流动可以将热量及时带走，避免热量的聚集引起的流场整体的温度升高。　　（4）飞轮环向间隙流场动力特性下主泵转子系统的临界转速计算和动态特性的研究。首先，基于PANS模型，开展飞轮-转子系统涡动情况下飞轮环向间隙流场的数值模拟，并提取作用在飞轮环向壁面上的流体力，进一步获得飞轮环向间隙流场动力特性。其次，采用Timoshenko梁构建飞轮-转子系统的有限元模型，并基于MATLAB/Simulink搭建动态特性分析平台。最终，对比分析了飞轮环向间隙流场动力特性与飞轮-转子系统的临界转速和动态特性之间的关系，结果表明由于飞轮转子系统的临界转速提高了1.52%，并存在一个1.5倍转频的振动信号，其幅值约为转频对应的振动幅值的1/3。　　（5）大型屏蔽电机主泵双金属多环结构飞轮设计方法的研究。首先，对过盈装配工艺对多环结构飞轮松脱转速的影响开展实验研究，并与传统的飞轮设计方法进行对比，其结果表明传统设计方法不适用于结构复杂的多环结构飞轮。在考虑了飞轮装配工艺的差异性和重力作用的前提下，采用有限元法对完整的飞轮结构进行分析，其结果更接近实验结果。并在此基础上，针对大型屏蔽电机主泵的双金属多环结构飞轮，建立飞轮过盈装配相关设计参数的响应面模型，最终提出了一种适用于双金属多环结构飞轮的设计方法，并分析不同载荷对飞轮结构完整性的影响。　　综上所述，本文从大型屏蔽电机主泵飞轮设计与系统安全和结构完整性相关工程问题出发，对飞轮间隙流场传热过程进行数值模拟，研究发现飞轮间隙流场中存在两个温度混合过程，并在此基础上分析获得了飞轮环向间隙流场动力特性，最后对大型屏蔽电机主泵的飞轮-转子系统动态特性和飞轮结构设计方法进行研究。本论文所获得的研究成果可以为大型屏蔽电机主泵飞轮的设计技术支撑。