自然循环换热系统由于其结构简单、布置灵活且循环动力仅来自于工质本身的密度差等特点,被广泛应用于核电站核岛内部换热、电子器件的散热、太阳能槽式集热系统等领域。在自然循环槽式太阳能集热系统中,由于蒸发段水平布置,且系统热流密度、质量流量较低,管内出现诸如逆流、气液分层、流型转换等过程,导致自然循环换热系统换热能力远不如预期。本文针对槽式集热系统出现的此类问题,通过搭建水平布置蒸发段自然循环可视化实验台,对蒸发段内的复杂流动沸腾特性进行了可视化实验研究。在获得其在不同加热功率条件下的流动沸腾特性的基础上,制备了三种不同亲水程度的表面并将其应用于蒸发段流动沸腾实验中,这三种对应的改性表面和未处理原始铜表面的平均接触角分别为5°,30°,60°和80°左右。通过对蒸发段内表面进行不同浸润性和不同区域的修饰后,管内流动沸腾特性得到了改善,换热效果得到了强化。本实验中工作介质为去离子水,系统压力维持在0.15MPa。自然循环水平布置蒸发段内主要发生了弹状流、分层流、波状分层流和雾状分层流的变化,每个截面上的流型变化均要经历六个阶段:流动循环启动阶段、气相流动加速阶段、流型转变开始阶段、流型转变阶段、流动不稳定性阶段和回流阶段。随着加热功率的变化,分层流时间占比和整个循环周期的时长会因为管内发生的不同流型的变化而变化。蒸发段出口存在的逆流现象抑制了分层流向雾状流发展的趋势。这种逆流现象的存在还抑制了气液界面高度的降低并延长了循环周期中分层流所占的时长比例。蒸发段内平均温度随着流动方向先上升后下降,C截面温度最高,但平均温差却是各截面中最小的。蒸发段表面平均温度随加热功率的上升而上升,蒸发段内的换热系数随着加热功率的上升而下降。本文考虑到自然循环系统蒸发段的流型转换等复杂流动现象,在Thome的模型基础上进行改进和修正,提出了新的基于流型的流动沸腾换热模型。当管内主体流型为弹状流时,Cooper的池沸腾模型即能获得较好的管内换热系数预测精度。当管内主体流型为气液分层流时,本文提出了形如:htp=tstrat/tcyclehtp-strat+(1-tstrat/cycle)htp-nonstrat的换热计算方法,该模型与实验结果偏差较小。当加热功率为500W时,此时管内主体流型为弹状流,管内流动参数的波动由低干度密度波不稳定性主导。而当加热功率上升后,管内主体流型变为分层流时,管内同时存在三种流动不稳定性现象。流型转换不稳定性与管内换热状况直接相关,其周期最小,大致与流型转换的周期相当,波动的幅度也相对最小;压降型不稳定性振幅与周期最大,密度波不稳定性其次。壁面温度的波动随着加热功率的上升经历了从稳定到不稳定最后又趋于稳定的过程。当加热功率为1500W时,压降型不稳定性已经被小幅高频的密度波不稳定性取代。在采用了超亲水表面之后,蒸发段内压降型不稳定性的强度增大,而且不稳定向稳定转换的趋势被延迟。超亲水表面的采用还会增大密度波不稳定性的强度,这种强度的增大在低功率下更为明显。两种不同表面上的流型转换不稳定性之间并无明显差异。在采用了超亲水表面之后,在相同功率下,管内润湿性变好,雾状流出现的频率要低于未处理原始铜表面上情况,且雾状流维持的时间也较短。不同表面亲水程度对蒸发段的壁面过热度带来了不同程度的降低,同时也对蒸发段内换热系数带来了强化。超亲水表面对于蒸发段整体平均换热系数的强化倍率在2.0左右波动。30°浸润性表面上的换热系数强化最多。60°浸润性表面上换热系数的强化是这三种表面上最小的,强化倍率在1.19～1.39这样的小范围内波动,受加热功率的影响不大。通过对蒸发段内不同区域、不同长度的浸润性改性实验证实了局部改性可以对蒸发段内全局换热进行优化。修饰区域的长度决定了优化效果的好坏:长度越长,管内换热的提升就越明显。而局部修饰区域所处系统蒸发段内不同的位置也会对管内换热会产生影响:将局部修饰区域布置在蒸发段的前段能得到比布置在后段更好的强化换热效果,但这两种优化效果之间的差距会随着加热功率的上升而逐渐减小。通过本课题的研究,可以为新型太阳能槽式集热系统优化设计和应用提供科学依据,具有积极的学术意义和工程价值。