近年来,核能利用日益受到重视,核能发电总量占总发电量的比例逐年上升。为了满足社会高速发展的需求,核反应堆也面临着优化设计和更新换代的问题。开发高性能新型核燃料棒是改善反应堆热工水力性能的一个重要研究方向,其中改进核燃料棒几何形状的螺旋型燃料棒设计潜力巨大。目前,计算流体力学方法有助于螺旋型燃料棒热工水力特性研究的开展,且关于结构参数和运行参数对冷却剂在棒束通道内流动与换热特性影响规律的研究较少,相关的流动换热经验关系式(范宁因子和努塞尔数)也基本处于空白状态。因此,本文以螺旋型燃料棒所构成的不同燃料组件为基础,探究结构参数和运行参数对流动与换热特性的影响规律,开发适用于螺旋型燃料棒的流动换热经验关系式。首先,本文在保持燃料棒装料体积相等的前提下,将螺旋型燃料棒复杂的截面形状拆分成由圆弧、直线等简单的几何元素组成的几部分,根据各个部分之间满足的几何关系,通过数学推导,得到各部分的取值范围,由此得出了一整套螺旋型燃料棒结构尺寸设计准则。其次,采用数值模拟方法选取SST k-ω湍流模型研究了过渡半径RE、螺距h、棒束布置方式和花瓣瓣数这四项结构参数对燃料组件流动换热特性的影响规律,通过进出口压降、换热系数等定量比较以及速度场、温度场等定性分析,确定了本文研究范围之内流动与换热综合性能最佳的结构参数:RE=3mm、100cm螺距、采用第一种布置方式的四角螺旋型燃料棒束。而后,研究了冷却剂入口速度、运行压力和冷却剂入口温度这三项运行参数对燃料组件流动换热特性的影响规律,高流速会造成压降增加,但同时会极大地提升换热性能,因此具备较好的综合性能;在入口质量流率相等的情况下,低运行压力和高入口温度可以提高综合性能。最后,本文将数值模拟计算结果与文献中已有的流动换热经验关系式的预测值进行对比,指出由于冷却剂热物性以及燃料棒结构参数方面存在较大差异,现有的经验关系式已不能用于预测螺旋型燃料棒束内的流动与换热情况。进一步,基于本文数值模拟的数据库,开发出了精度较高的适用于螺旋型燃料棒的经验关系式,范宁因子、努塞尔数关系式预测值与数值计算结果之间的最大误差均控制在5%以内,具备较高的预测精度。