球床水冷反应堆是一种将轻水反应堆技术和球形燃料元件相结合的新概念反应堆,它具有设计简单、模块化建造、长寿命、固有安全性高和防止核扩散能力强等优点。反应堆的堆芯紧密填充球形颗粒燃料,构成含内热源的球床通道,对其内部的汽液两相流型及流型演变特性进行研究有助于深入理解和认识球床通道中的流动沸腾机理与传热规律,为球床水冷反应堆的研发提供可靠的实验依据和技术支持。本文在内径为75 mm的石英玻璃管中填充直径分别为5.09、8.02和12.04 mm的表面氧化碳钢球,利用电磁感应技术对球床通道整体加热,借助于高速摄影机对水在球床中的流动沸腾过程开展了可视化实验研究。在对两相流动图像处理和分析的基础上,将球床通道中的沸腾流型划分为泡状流、弹状流和环状流,以孔隙当量直径为尺度标准,将泡状流进一步细分为小于临界直径的泡状流和大于临界直径的泡状流。研究了热流密度、质量流速和小球直径对流型及流型转变的影响,发现随着热流密度的增加或质量流速的降低,两相流型由泡状流向弹状流进而向环状流转变。在同一质量流速下,出现相同的流型,颗粒直径较大的球床通道需要的热流密度更高。基于本文的实验数据,分别绘制了以质量流速G和质量含汽率x为坐标的沸腾流型图以及以无量纲雷诺数Re、沸腾数Bo和受限数Co的组合Bo/Re和Re·Co为坐标的沸腾流型图,并给出了流型转变的经验判别式。在孔隙空间的尺度上对泡状流中汽泡的大小、形状和运动速度等微观特征量做了研究,发现汽泡的大小呈对数正态分布,在概率密度曲线上存在一个较为明显的峰值,对应的汽泡平均等效直径接近于球床通道的孔隙直径。随着质量含汽率或颗粒直径的增加,汽泡的平均等效直径变大,峰值汽泡对应的概率密度减小。在球床通道中圆度大于0.75的汽泡所占的份额超过90%,且圆度越大的汽泡其概率密度也越大。随着质量含汽率或颗粒直径的增加,圆球形汽泡所占的份额减少。在固定的汽相和液相表观流速下,单个汽泡的运动速度变化较大,但汽泡的平均速度基本保持不变。在液相表观流速一定的情况下,汽泡的平均速度随着汽相表观流速的增加而线性增大。研究了球床通道中汽相的相互作用形式,发现存在两种主要的汽泡合并机制,一种称之为“并行合并”,在两个汽泡试图同时通过同一狭窄通道时发生;另一种称之为“追赶合并”,是前后两个汽泡在球床通道中运动时,由于前行汽泡的减速而导致两个汽泡发生合并。汽泡的破裂机制主要有“剪切破裂”和“加速破裂”两种,其中根据汽泡破裂后生成子汽泡的大小差异,将剪切破裂分为“剪切对称破裂”和“剪切不对称破裂”。通过对球床通道中汽液两相流体的受力分析,得到了空泡份额与两相流体的表观流速之间的关系,结合可视化观察的结果确定了弹状流的界限空泡份额以及汽弹的直径和长度的计算方法,建立了预测球床通道中沸腾流型转变的数学模型。