液氦储罐运行温度极低，环境热量易侵入，会引发储液热分层和储罐自增压现象，进而影响液氦储罐的安全运行。以 CMSH-350 型小型立式液氦储罐为研究对象，基于 VOF（体积分数法）模型和气液相变模型，建立了储罐热分层与自增压数值模型，采用 4 种绝热结构（气冷屏复合变密度多层绝热、气冷屏复合多层绝热、复合变密度多层绝热和复合多层绝热）下的漏热量为第三类边界（分别为工况 1—工况 4）求解了模型，分析了储罐压力、温度及自然对流循环的演化规律，明确了储罐升温速率和自增压速率。研究结果表明：液相区和气相区逐渐形成了热分层，在液相区自下而上，等温线形状由抛物线逐渐向波浪线过渡；气、液相区均产生了自然对流循环，液相区循环形态由椭圆形向三角形演化，气相区循环形态由子弹状向梭状演化；气相区温度随时间近似呈线性升高，压力随时间呈抛物线规律升高；储罐的热分层及自增压速率与漏热量呈正相关，工况 1 时气相区平均升温速率和自增压速率最小。本研究可为液氦储罐运行过程中的安全管控提供参考。