散裂中子源的发展对现代核能工程、材料学的发展有着十分重要的影响。在不同的工程应用中,根据目的、环境不同其对散裂中子源的要求也不同。核裂变反应堆是目前世界能源的重要组成之一,但其乏燃料后处理一直是需要解决的问题。而加速器驱动次临界系统即ADS是未来乏燃料处理的最有效方法之一。ADS系统利用散裂靶发生散裂反应产生中子驱动后端次临界核裂变反应堆嬗变乏燃料并提供能量。根据已有的固态靶与液态靶存在的一些问题,中科院近物所创新性的提出了密集颗粒流靶概念设计,利用颗粒物质本身特有性质综合了固态靶与液态靶的优点。另外核聚变能的利用是人类未来能源解决方案,但是核聚变所产生的巨大能量与极端环境对核聚变装置提出了十分严苛的要求,为了进行检测试验国际提出IFMIF项目,而中国也提出了小型高能高通量聚变材料研究用氘铍中子源的研究计划,利用加速器驱动的中子源提供检测环境,其对散裂靶的性能提出了更高的要求,结合CIADS的密集颗粒流靶的经验,研究团队提出了密集颗粒流斜槽流靶概念设计。在粒子物理学中中微子物理有着十分重要的地位,中微子物理实验需要高能μ介子束。中国高能物理学界提出了自己的高强度前沿实验:中基线μ子衰变中微子设施(MOMENT),这是继JUNO实验后中国下一代的中微子实验,也将使中国保持在中微子物理领域的领先地位。为了提高实验测量精度,最好的方法就是提高束流的强度,而且MOMENT靶的主要目标是获得次级粒子,所以与传统其他高功率散裂中子源相比,MOMENT装置中散裂靶靶体和靶站的工作环境更为复杂。相同功率要求下,MOMENT的靶体的热功率密度会高两个数量级,这对靶体方案的设计要求提出了极高的要求。结合CIADS的密集颗粒流靶的经验,研究团队提出了一种无容器瀑布型的颗粒流散裂靶概念。利用密集颗粒流作为束靶耦合材料可以实现线下换热,同时避免液态靶出现的流动不稳定、材料损伤、泄露等问题,是一类非常有潜力的靶型设计方案。作为一种新型设计,其流动稳定性是首要考虑的问题。本文主要研究了密集颗粒流靶靶体几何对其流动性影响,通过模拟和实验的手段对不同靶型的颗粒流动行为做了研究,评估了靶系统设计的可行性。主要包括三个方面:(1)设计实验研究了束流管道插入颗粒流中对颗粒流的影响。结果发现改变插入物的高度会导致颗粒流态从堵塞流过渡到表面流态再过渡到密集流流动。在插入物的下方,颗粒流动的自由表面可以视为一个斜坡。在密集流流态下,Beverloo定律在有插入物的情况下依然是有效的。随着流量的增加,自由面的坡度将趋于饱和;分析了自由面的速度分布;发现插入物与侧壁之间允许的距离可以略小于出口尺寸。而且,我们在这个实验装置中设计尺寸使之形成了一个表面流,并确定了颗粒流量与自由面斜率的线性关系。(2)通过模拟研究了加速密集斜槽流的流动性能。结果表明,在这种加速流中,速度和密度有轻微的波动,没有观测到表面波动。通过线性稳定性分析和李雅普诺夫指数计算,研究了流动的稳定性。研究结果表明了加速流的稳定性和稳固性,为加速流作为大功率靶的方案设计提供了依据。(3)对不同尺寸的颗粒瀑布靶颗粒流进行了数值模拟。对漏斗内和颗粒射流的颗粒流速度和体积分数的空间分布进行了研究。结果表明,在槽宽较小的情况下,速度随时间的变化几乎是恒定的,分布可以用高斯函数来预测。然而,当槽宽且流量高于Beverloo定律的预测值时,高斯分布预测就失败了。出口边缘的垂直速度波动较大。漏斗流中的体积分数也是恒定的,但在出口上方减小。在漏斗下方的颗粒射流中,当槽宽较小时,由于颗粒射流的弥散,体积分数会随高度迅速下降。而在槽宽较大的情况下,颗粒射流中存在致密的堆芯。该堆芯的速度和体积分数波动较小。研究了近年来的连续介质模型,结果表明该模型具有潜在的应用价值。论文最后对全文进行了总结并对进一步工作计划进行了展望。