气液两相流作为多相流热物理学的一个重要分支,与人民的生活及工业生产安全有着密切的关系。流体在流动过程中除受流体的固有性质,如物理性质及化学性质的影响外,与流场环境也有着密切联系。流体的物理性质是可控因素,其影响效果大多可控。与之相比,流场环境的改变对流体流动的影响往往与理论计算值有较为明显的偏差且难以控制。因此,为实现能源的高效利用,同时准确掌握复杂流动的特性参数,对不同流场环境下流体流动及传热特性进行深入探讨就显得尤为重要。本文基于数值模拟的方法,根据流场环境的分类,对几何结构流场、环境流场及热载流场下通道内气液两相流动与传热特性进行了较为系统与全面的探讨分析。1.几何结构流场。建立了蛇形微通道内气液两相流动的数学模型,分析了壁面性质及Y型汇流结构对流体流动及传热特性的影响。与常规尺度通道不同,微通道内流体流动受惯性力、粘性力及表面张力影响较大,意味着壁面性质及几何结构是其气液相界面分布情况改变的主要因素之一。当Y型夹角为60度时,气液两相压降和Po数最低。除此之外,通过添加源项,建立了滑移壁面边界条件下微通道内流体流动的数学模型,结果表明,疏水壁面可以诱导滑移现象的产生,同时减小压降、表面摩擦系数和流动阻力系数,从而利于传热,且高宽比较小的微通道内减阻效果较好。与此同时,针对蛇形微通道特殊的几何结构,对U型微通道内流体流动及传热情况进行了研究,分析了曲率对流体流动及换热的作用规律。研究结果表明,曲率的增加使得沿水平坐标方向的速度分布对称性增强,增大了流体流动阻力,截面速度分布趋势不受影响,但靠近内壁流体的流速及温度高于靠近外壁的流体。2.环境流场。依据环境流场影响效果,选取了常规尺度水平通道,通过添加自定义函数,建立了起伏振动工况下通道内气液两相流动及传热的数学模型。与稳态工况不同,振动引起的附加惯性力及流体自身的重力影响了气液相界面分布规律,且振动参数对低流速流体影响较大。与振动幅度相比,振动频率的改变对流体流动及传热特性影响更为显著。通过对稳态及不同振动参数下通道内流体摩擦压降、空隙率及流体温度变化规律进行探讨分析发现,与稳态工况下通道内流体流动情况相比,周期振动对流量和瞬时摩擦压降的影响更为明显。振动幅度主要影响液面波动高度,即截面含气率;而振动频率主要影响液面波动的激烈程度,但振动参数对流型定义没有明显影响。一定范围内,振动可以强化换热,温度峰值出现在通道从起伏运动的最高点向平衡位置移动的过程中。3.热载流场。以预测气液两相流摩擦压降及空隙率的经典模型及相关经验公式为基础,对本文所建立的不同振动参数下水平通道内流体流动的数值计算结果进行了对比分析。通过比较几种典型摩擦压降关联式发现,Muller模型的预测值与动态工况数值计算结果吻合较好;通过比较四种典型模型的含气率关联式得出,当振动参数较小时,漂移通量模型具有较好的预测效果;当振动参数较高时,基于流型建立的关联式模型更适用。与此同时,依据场协同分析理论,分析了热载流场对蛇形微通道及不同振动参数工况下水平通道内气液两相流传热的作用效果。研究结果表明,合理设计弯曲微通道的壁面性质和曲率等相关参数,有利于提高微通道内流体的传热性能;对于本文所采用的起伏振动工况,发现在一定振动频率范围内起伏振动是有效强化换热的手段,低Re数和强振动参数条件下,振动对流体流动换热的影响效果最为明显。