负浮力射流是广泛存在于自然界和工程应用中的流体流动现象。在能源利用领域,夹套换热储热水箱作为太阳能阳台壁挂系统的主要部件,被广泛应用于中国北部地区,但其运行过程中,包含着目前尚未充分理解的负浮力射流流动和传热传质过程,成为制约其热性能提升的重要问题。本文从负浮力射流的流动行为的基本特征出发,采用粒子图像测速（Particle Image Velocimetry,PIV）技术、直接数值模拟技术、实验手段相结合的方法研究了负浮力射流在均匀和分层环境流体中的运动规律,以及其对热分层水箱中热水稀释和温跃层的影响,揭示了负浮力射流流动行为规律和卷吸特性,具体研究内容与结果如下:1.分析了基于卷吸特性的负浮力射流模型,阐明了分层储热水箱中热量与能量传递的瞬态发展的三种机制,讨论了温度分层储热水箱中的卷吸特征。2.采用PIV实验手段,对均匀环境流体中负浮力射流的流动行为进行了测试与分析。实验中,控制参数弗劳德数Fr和雷诺数Re处于0.5≤Fr≤10,50≤Re≤820的范围,结果表明:（1）轴向雷诺应力是产生卷吸和掺混的主要机制;卷吸率α随着Fr的增加而增加;随着垂向高度增加,卷吸率α逐渐增大,进一步表明卷吸程度的加强;当Re足够大时,射流流动中的非对称程度和无规则湍流强度增加。（2）剪切应力、旋涡动力学特征、速度场等对卷吸现象均有直接的联系和影响,通过分析它们的时空演变和量化分布,可以从多个不同的角度探究卷吸现象的内在规律和程度强弱。（3）通过基于时间序列的本征正交分解POD的方法,对圆形负浮力射流入射截面速度场、涡量场、剪切力进行了分析,讨论了射流初始阶段、稳定发展阶段能量分布特征,及不同大尺度涡结构对卷吸的影响和变化规律。3.采用PIV实验手段,对线形分层环境流体中的负浮力射流的流动行为进行了测试与分析。实验中,控制参数在1≤Fr≤14,62≤Re≤579,0.001≤S_p≤0.005的范围内,分析了负浮力射流在线性分层环境流体中的瞬时流动行为特征,并和在均匀环境流体中的特征进行了比较。结果表明:（1）改进的“双缸法”能够很好的实现环境流体密度的线性分层。（2）和在均匀环境流体中的负浮力射流流动行为相比,线形分层（分层度为S_p）起到抑制和减弱的作用,使得射流的最大高度和整体宽度都大大减少,极大地改变了负浮力射流流动的卷吸和掺混特征。（3）当分层度较弱、射流与环境流体的起始密度相差较小、而入射的射流又较强时,分层环境流体中的负浮力射流会表现出中性浮力流动特征。4.利用直接数值模拟和实验测试的方法,研究了容量为100L的家用阳台壁挂式夹套换热太阳能储热水箱在三种不同运行模式（蓄热模式、排水模式、同时蓄热/排水模式）时,水箱中负浮力射流的瞬时流动行为及其对热分层特征的影响效果。通过对207≦Re_i≦1090的工况进行分析,结果表明:（1）在三种模式下,由于入口负浮力射流影响,水箱内都会形成低温区、温跃层和高温区。温跃层内的温度为线性分布,且平均温度梯度不受Re_i数的影响;温跃层厚度Z^*_th随时间、排水量的影响而发生变化。（2）排水模式时,当t^*≧0.4时段,Re_i<1090的工况均表现出负浮力射流的流动特特征,其在密度分层界面的运动行为与PIV实验观察结果一致。局部Ri_e更能直观评估水箱内部分层性能,冷水负浮力射流在热分层水层中的卷吸和混合现象的程度随Re_i数的增大而增强。进入水箱的负浮力射流最大上升高度受温跃层位置和厚度的影响,其掺混主要位于温跃层下部与射流冠顶区域。（3）同时蓄热/排水模式时,在无量纲时间0.4≦t^*≦0.8阶段,温跃层厚度Z^*_th一直保持在稳定的状态,可延长热水使用时间。理查森Ri数一直低于排水模式,体现了浮力作用下的掺混增强,可优化水箱结构参数,提升放热水平。（4）在直通式入水导流管上以孔小、量多的方式进行开孔,将垂直负浮力射流变为多个横流,实现散流器功能,能减少水箱掺混,较大程度提升热水输出率,取出更多热水。