非能动安全壳冷却系统(PCS)在先进核电厂系统设计中被大量应用,它能够在不借助外部能源的条件下将安全壳内的事故热导出,以维持安全壳的完整性。对于中国自主研发的“华龙一号”第三代核电站,其PCS系统采用了开式自然循环式的结构,主要由内部换热器、外部高位水箱和相应的连接管线组成。在事故工况下该系统能够依靠冷热管段的密度差来驱动工质在回路中循环流动,将安全壳内的热量导出。系统运行时外部高位水箱与大气相连通,使得系统运行压力较低,容易诱发两相流动不稳定现象。另外,系统的流动特性会受到闪蒸和沸腾的多重机制影响而变得较为复杂。本文采用实验研究、理论分析和RELAP5程序模拟的手段对开式自然循环的流动特性进行了研究,旨在全面掌握系统的瞬态流动特性、循环输热能力以及不同流动模式的特点及产生机理,并对系统的流动模式演化过程机制进行揭示;同时分析了热工参数和几何结构参数对系统瞬态流动和循环输热能力的影响,为开式自然循环系统设计的改进提供技术支持,主要工作如下:针对开式自然循环系统启动工况、稳态运行工况和变功率工况进行了实验研究。发现随着加热段入口温度的增加,系统可能会出现单相自然循环、间歇喷泉流动不稳定、纯闪蒸流动不稳定、沸腾与闪蒸共存的流动不稳定、沸腾流动不稳定和稳定的沸腾自然循环等多种流动模式,另外还通过注气诱导法诱发形成了稳定的闪蒸自然循环流动模式;针对上述的流动模式的流动特点和产生机理进行了详细的分析;实验中还观察到了一种由闪蒸流动不稳定诱发的蒸汽凝结水锤(FIIWH)现象,针对FIIWH现象的产生机理和影响因素进行了分析;最后根据实验结果绘制了开式自然循环系统流动模式的分布图;并在针对系统变功率特性进行研究时发现了系统的变功率迟滞现象。基于均相流模型和状态空间方程法,建立了描述开式自然循环系统稳定特性的线性扰动模型,分析了自然循环过程中闪蒸和沸腾的稳定特性。通过将理论分析结果与实验结果的对比,得到了闪蒸和沸腾的相互作用关系及其对开式自然循环系统流动特性的影响。并据此提出了对开式自然循环流动模式演化过程的新的理解角度。另外,利用上述的理论分析模型,分析了系统几何结构参数对于开式自然循环流动模式的影响,理论分析结果与实验数据符合较好。针对不同流动模式下的自然循环流量和加热功率之间的关系进行了理论推导,得到了相应的理论关系式,并推导得到了流量漂移流动不稳定区域的判定式;同时利用实验和理论关系式,分析了热工参数和几何结构参数对开式自然循环系统的流动传热性能的影响,计算结果与实验数据符合良好。最后,基于RELAP5/MOD3.4程序对开式自然循环实验回路进行了建模和模拟,模拟结果与实验数据符合良好,说明RELAP5程序能够用于分析开式自然循环系统的瞬态流动行为和稳态流动传热特性,但在对间歇喷泉流动不稳定和沸腾流动不稳定瞬态流动行为进行分析时,模拟结果与实验结果间存在一定差异。