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加速器驱动次临界系统(Accelerator Driven System，ADS)流态固体靶是一种概念化的新型核废料处理装置，是中国ADS散裂靶两套备选方案之一。球形颗粒的自然对流换热和钨球在靶内流动是研究固体靶的两大重要问题。 球的自然对流换热是一个经典的问题，不仅存在于ADS流态固体靶，还存在于球床式高温气冷堆及其他应用颗粒的工业设备中，本文通过抽取颗粒流中球形颗粒排列的有序结构，对其自然对流换热进行数值模拟揭示传热特点，获得球与流体换热的相关经验公式，为上述工业设计提供相应精确的换热系数。 在球的换热研究中，引入由Bejan等人提出的计算模型，既能够保证计算结果的正确性和精确性，又大幅削减计算区域尺寸。在此模型的基础上，分别针对不同格拉晓夫数(Gr)下的定热流单球及竖直排列紧密接触的3-5定温球列，竖直排列不同球心间距(S/D)下的定温双球自然对流换热进行了模拟计算。获取了球附近流体稳态时的温度分布、流线分布、球表面努塞尔数（Nuθ）、局部及平均阻力系数(CD，(CD))等物理结果，通过拟合平均努塞尔数（(Nu)）的曲线获得换热经验关联式。 研究发现，定热流单球高温区集中在球的顶端，并且高温区的范围随着Gr的增大而减小。与定温单球相比，两者的(Nu)之比从98.6％(Gr=10)随Gr数升高降至60.4％(Gr=107)。分析在3～5球紧密接触的竖直球列的换热问题时发现，在同一Gr数下，随着球列中球个数的增加，较低处球对流体预热作用的累积导致在较高位置两球的间隙的回流区变大或重新生成。球列中最底端球仅有顶部受到回流区的影响，其Nuθ分布与定温单球分布类似。而随着球列的增高能够裹挟更多冷流体参与换热，使得最顶端球的换热系数变大。针对存在间距竖直排列的定温上下两球，发现因S/D的增大而不断强化上球附近的混合对流造成上球顶端形成旋涡，随间距不断变大，上球的后滞止点不断前移造成回流区范围的增大。另一方面，基于(Nu)与Gr，分别拟合出不同结构下的每个球的换热经验关系式。 关于球在靶内的流动问题，首先根据欧洲最新液态靶型设计流态固体靶的外形，模拟粒径为6mm钨球颗粒的靶体中流动，并比较不同靶体斜壁角度，不同粒径的颗粒流动情况，结果显示:靶体斜壁的角度是影响颗粒角速度与流速的主要因素。倾角较大使颗粒流整体的流速增加，若出口直径较小或颗粒粒径较大时，颗粒在出口处易形成淤积导致其滞留靶体。颗粒粒径的变化对颗粒流整体的速度分布无明显影响，但粒径较大的颗粒受到的摩擦力更大，导致颗粒能量消耗会增多而影响颗粒的流速。 上述球形颗粒自然对流换热的数值模拟拓展了自然对流换热领域的相关知识，经验关联式的提出能够为应用球形颗粒的工业设计和换热提供精确的参考，因其基础性可以写入传热手册甚至教科书。而颗粒流动研究为ADS流态固体靶的设计和优化提供了可靠的依据，特别是对未来中国ADS的研究和应用具有重要的学术和应用参考价值。