螺旋管由于结构紧凑、传热效率高、安全性好,在工业领域小体积换热器设计中被广泛应用。但公开文献中有关螺旋管内的传热和流动机理与特性尚缺乏系统的分析,特别是针对螺旋管内的周向不均匀特性,目前研究仅限于单相的情形。螺旋管内泡核沸腾起始点、过冷沸腾传热及干涸后传热的特性以及经验关系式鲜有文献涉及。螺旋管并联通道的流动不稳定性也鲜有公开报道。因而在螺旋管换热器特别是蒸汽发生器的设计分析和工程应用中存在不确定性,将对运行安全性及寿命评估带来影响。为此,本文依次研究了单相、泡核沸腾起始点、过冷沸腾、饱和沸腾、干涸点以及干涸后传热的螺旋管内周向传热特性,提出了体现浮升力和离心力相对强弱的无量纲Lu数。根据Lu数大小,可以预测螺旋管内单相传热、泡核沸腾起始点、过冷沸腾的周向不均匀性。而螺旋管内饱和沸腾的周向不均匀性主要受核态沸腾与对流沸腾机制的共同影响。螺旋管周向低传热区中核态沸腾机制起主导作用的长度大于对流沸腾机制,而高传热区恰恰相反。螺旋管内周向干涸先后顺序与饱和沸腾时壁温高低无关,且主要存在三种干涸发展模式,当流量较小时,干涸从螺旋管内壁上侧开始,沿外侧蔓延至内侧;随着流量的增大,管壁上下侧同时发生干涸,从上下侧向管壁中间侧蔓延;当流量较大时,管壁周向同时干涸。螺旋管内干涸后的周向不均匀性受干涸顺序的影响,先干涸的周向位置温度高。本文同时研究了热工及螺旋管结构参数对螺旋管内传热的影响,在实验范围内增大螺旋管水力直径、减小螺旋管螺旋半径、增大系统压力、质量流速及热流密度可提升螺旋管内全流程的平均换热系数。除此之外,本文在螺旋管内流动特性研究中发现螺旋管内两相摩擦压降先随干度增大而增加,在达到峰值后降低。系统压力升高、质量流速降低可减小两相摩擦压降。热流密度和螺旋管结构对两相摩擦压降无明显影响。针对螺旋管并联通道,减小功率流量比和增大入口阻力可抑制流动不稳定性。系统压力和入口阻力较低时,系统的稳定性随着入口过冷度的增加而增加,随着系统压力和入口阻力的增加,入口过冷度对系统稳定性的影响变得复杂。系统压力升高对稳定性的增强作用随着入口过冷度的升高而减弱。实验中螺旋管并联通道的脉动周期与过流时间之比在1.38～2.28的范围内,与直管并联通道密度波脉动的周期与过流时间比值相同。通过上述系统性研究,本文针对螺旋管内不同的传热和流动区间均给出了建议的经验关系式,特别针对泡核沸腾起始点、干涸后传热以及两相摩擦压降提出了新的经验关系式。随后,根据研究所得的经验关系式,在RELAP5的基础上二次开发了螺旋管直流蒸汽发生器一维热工水力计算程序,并使用该程序设计了CAP50-S螺旋管直流蒸汽发生器入口节流系数,对稳态下螺旋管束间的流量及功率分配特性进行了研究,为CAP50-S螺旋管蒸汽发生器初步设计提供了理论和实践指导。