福岛核电事故以后,反应堆的安全性备受关注。针对事故工况下安全壳的降温降压,新一代反应堆中引入了非能动安全壳冷却系统(PCCS),该系统可以不借助外部动力装置,仅依靠自然循环等物理规律实现对安全壳的保护功能。鉴于气泡泵的引入能大幅降低自然循环系统上升段的密度,提高自然循环能力,降低流动不稳定性,而气泡间的典型行为(如聚合等)对上升段的空泡份额有显著影响,空泡份额又密切关系着两相密度及自然循环能力,因此,有必要对自然循环条件下气泡聚合行为特性及其对自然循环能力的影响进行研究,为深入分析气泡提升泵提升自然循环机理奠定基础。本文在自然循环条件下,采用高速摄影系统拍摄可视化管段,通过改变注气量,对自然循环条件下的流型、上升段的气泡间行为以及聚合机理对自然循环能力的影响进行实验研究。实验以水-空气为工质,采用自然循环的方式,在常温常压下进行,注气量范围为0～4.0kg/h,实验储水箱水位高度范围为150mm～950mm。通过可视化实验研究,本实验中的流型可分为:泡状流、弹状流及搅混流。以液相雷诺数、气相折算速度作为特征参量,分析液相湍流强度、气相流量对流型特征、流型范围的影响。随后本文针对气泡的个体行为特性,主要研究气体流量、气泡直径、气泡上升高度以及气泡速度之间的关系,探讨气泡螺旋式上升运动的周期性规律。另外,本文将气泡的聚合行为分为两水平气泡间和两轴向气泡间两种情况,分析了气泡的个体特性与气泡聚合的关系。最后本文研究了气泡群行为和气泡聚合对回路自然循环能力的影响。结果表明,当气体质量流量小于0.5kg/h时,气体流量与气泡平均直径之间存在着良好的线性关系,气泡直径随着气体流量的增加而不断增大;当气体质量流量大于0.5kg/h时,气泡平均直径不再线性变化,开始出现波动,在3.5mm的直径处上下浮动。自然循环水流量是随着气体流量的增加而增大的,在气体流量约小于1.3kg/h时,增大气流量对自然循环能力的提升效果较好;大于1.3kg/h之后,效果有所下降。通过改变注气量和水箱水位,本文研究了气泡泵对自然循环能力的提高效果。针对气泡泵作用下的自然循环宏观流动特性,提出了自然循环平均流量随系统注气量变化的计算模型,结果表明:对于气泡泵作用下的自然循环系统存在临界注气量,当系统注气量小于对应的临界注气量时系统不能产生自然循环。临界注气量的大小与系统内水箱水位高度有关:随水位高度增加而减小。对于同一水箱水位高度而言,当注气量达到临界注气量值时,系统自然循环平均流量迅速增加,随着注气量的增加,系统平均流量增速减缓,曲线趋于平缓。通过建立理论计算模型发现,在带有气泡泵作用下的自然循环系统中,存在一最佳的注气量。对于同一工况参数的前提下,自然循环能力达到最大值。