安全壳作为核电站最后一道屏障,可以在严重事故情况下承受事故产生的内压力,防止放射性物质外泄。在新一代核电站中,非能动安全壳冷却系统(PCCS)是防止安全壳在事故条件下超压超温受损的一项重要设施。PCCS系统利用自然循环的方式将热量导出,自然循环流动特性影响着PCCS系统的安全运行,开展对自然循环流动特性的研究具有重要意义,因此,本文设计了 PCCS简化系统,以对PCCS的自然循环特性进行初步研究。在低压、低含气率条件下,对系统的自然循环启动、稳态运行时的流动特性进行了实验研究。实验表明自然循环系统在启动运行过程中经历了三个阶段一单相区、过渡区和稳态运行区;其中过渡区又可分为过渡一区和过渡二区。过渡一区内的流量振荡是由间歇泉不稳定引起的。过渡二区的流动不稳定性在不同加热功率下有不同的表现形态:低加热功率时,间歇泉不稳定和闪蒸引发了流量振荡;高加热功率时,闪蒸和饱和沸腾引发了流量振荡。稳态运行时,系统内存在5种行为模式:周期性闪蒸伴随喷泉、闪蒸伴随周期性沸腾喷发、持续性闪蒸、周期性沸腾喷发和稳定气液两相流动。研究表明,闪蒸和沸腾喷发是影响流动特性的两个主要因素,两者对流动主导作用权重的变化是流动模式随功率发生演变的根本原因。实验获得的流动模式分布图可为自然循环系统的运行提供参考。在考虑驱动压头、回路阻力、过冷沸腾、闪蒸和散热的基础上,建立了自然循环稳态运行时平均流量的计算模型,计算结果和实验值符合良好,表明用平均稳态的流动代替不稳定的流动来研究自然循环流动特性的思路是可行的。由该模型预测了高功率下自然循环平均流量的变化趋势和流量静态漂移,给出了系统由不稳定流动过渡为稳定气液两相流动的判断标准和稳定边界的确定方法,分析了复杂实验回路对自然循环平均流量及流量静态漂移的影响。