气(汽)液两相流问题广泛地存在于自然界和工业界的诸多领域,密切关系着人民的生活和生产安全。流体的实际流动和传热效果受流体固有物理化学性质和流场环境的综合作用。流体的物理化学性质通常是可查询或可测量的,但是流场环境常常会主动或被动的发生改变,其中流场环境的被动改变往往是无法控制和难以预测的,最终造成流体流动和传热的实际真实值与理论预测值产生偏差。由于流场环境无时无刻不在影响甚至决定着内部流体的流动与传热特征,因此其研究重要性不言而喻。本文在考虑不同流场影响的基础上,借助数值方法的优越性,利用基于计算流体动力学(CFD)理论的商用计算软件平台Fluent,选择VOF多相流模型和RNG k-ε湍流模型求解气(汽)液相界面行为,通过编写用户自定义函数(UDF)添加汽、液质量和能量源项来考虑有相变发生时的质能传递问题。采用二阶迎风差分格式处理对流项,压力基分离求解方法选取PRESTO,利用PISO作为压力速度耦合算法。为了验证数学模型和自编程函数的准确性,文中选取多种途径的验证方式。采用的验证标准包括实验测量数据、经验修正公式以及理论推导公式等。对应流场环境下的对比显示,数值计算结果与已有数据结果表现出了较好的一致性,表示建立的数学模型能够准确处理一定流场环境影响下的流体流动与传热问题。根据工况不同选用的工质材料包括空气-水、水蒸汽-水和R134a蒸汽-液体三组混合物,对重力流场、压力流场和热载流场影响下管内气(汽)液两相流动与传热特性进行了较全面系统的研究分析。1.重力流场。建立了低重力流场下管内气液两相流的数值模型,分析了低重力环境下气(汽)液两相流的运动特性。低重力环境下惯性力、粘性力和表面张力的影响相对增强,成为流型形成和改变的主要因素,使低重力流场下的流型形状与常重力相比有显著差别。与常重力流场相同,气(汽)、液流速的增大会使流动压降提高,且重力加速度越小,气(汽)液流动压降越大。因此,常重力下预测气液两相流摩擦压降的均相流模型、Friedel模型和Chisholm模型都不能用于预测低重力环境下的压降结果。根据分液相Re数对低重力场流动重新分区,修正后的Chisholm关系式能够准确预测低重力流场下的流动压降。对于存在相界面波动的搅混流型,随着重力场的减弱,界面波波峰高度随之增大,界面波的形成周期随之延长,相界面稳定性随之增强。2.压力流场。根据高压环境特性,建立了高压流场下垂直管道内汽液两相流的数值模型。高压环境下的流型图分布与Hewitt和Roberts流型图的吻合度较差。高压环境下没有出现雾状流；弹状流区被压缩；泡状流区扩大,几乎覆盖了常重力流场下的泡状流区、弹状流区和部分雾状流区。对界面波动特性的研究显示,流场压力越大,界面波振幅越大、形成周期延长、相界面稳定性提高。对于搅混流,流场压力对管道中心速度场分布的影响不大。与常压环境相比,随着流场压力的增大,近壁面处局部速度场振荡的随机和紊乱程度有所减弱。以汽、液无量纲流速为轴建立坐标系,在垂直管道内的汽液逆流过程中,高压环境下淹没开始点呈二次函数分布,且分布方式与流场压力无关,文中采用最小二乘法回归得到了修正后的淹没开始点预测经验公式。全部携带点、流向反转点和有滞后现象的淹没消失点均呈线性分布。文中以常压流场为基准,讨论了流场压力对汽液逆流过程的影响。3.热载流场。通过添加汽、液质能源项,建立了热载流场下汽液两相流动和传热的数值模型。当下降液膜重新浸润裸露热壁时,液膜前沿接触角会发展为浸湿锋面。当壁面过热度达到一定值时,浸湿锋面与壁面分离,不再参与热壁的冷却换热。为了研究浸湿锋面的运动特征,文中定义了浸湿锋面的临界分离长度及其发生位置、临界分离高度以及保持分离的临界时长,文中以壁面热流密度和液膜Re数为变量,绘制了以上特征参数的分布图。对于下降液膜流动过程中的传热和运动特性,讨论的内容涉及核态沸腾的发生时间及位置、沸腾初期饱和汽泡的形成过程及其对液膜表面波动的影响,和下降液膜的传热状态分布等。不同工况下降膜表面换热系数的变化趋势是一致的,即从初始值逐渐下降,直至稳定在某一数值。本文计算范围内,相同入口液流量下的表面换热系数近似相等,与壁面热流密度无关。相同入口液流量工况下,壁面热流密度越高,初始表面传热系数变化梯度越大,最终达到的稳定值减小；但此过程所需要的发展时间几乎相同。