随着科学技术的发展,工业设备逐渐呈现小型化、微型化趋势,微化工技术成为一门新兴的交叉学科,相应的小管道内气液两相流动也越来越受到关注,相比于常规管道,小管道面积/体积比大大增加,传递作用比常规尺寸的管道提高2到3个数量级,具有灵活高效、集成化等优点。和常规管道相比,小管道表面张力与粘性力影响显著增强,这就意味着小管道中表现出的一些流动特性和参数变化规律与常规管道不同。目前小管道两相流参数测量技术仍处于发展阶段,缺乏系统的理论基础与机理模型。通过实验对比,分析常规管道与小管道中流型、含气率等特征参数的异同,能够为小通道两相流发展提供参考,具有实际应用前景与研究价值。针对以上研究现状,本文对五种不同内径(10.45 mm,8.74 mm,6.68 mm,4.75 mm,3.12 mm)的水平管进行研究,主要工作与创新点如下:(1)在流型识别方面,使用高速摄像机获得两相流流型特征图像,针对水平管道的流型特点搭建了水平管两相流参数测量系统。该系统包括水路供给系统、气路供给系统、实验段及数据采集系统。实验结果表明在10.45 mm,8.74 mm,6.68mm内径水平管中发现了泡状流、弹状流、环状流及层状流四种典型流型特征。在4.75 mm以及3.12 mm内径管道中未发现层状流。通过对比发现,管径对流型转换边界曲线具有十分重要的影响。通过对实验测得的压差信号进行处理发现,压差信号随时间的波动图像以及压差信号的概率密度函数(Probability density function,PDF)图像能够准确预测四种典型流型。(2)在含气率测量方面,基于虚拟双目视觉系统,即通过三棱镜将可视化测量段俯视图流型经光线反射呈水平摄入摄像机焦平面,摄像机同时捕捉垂直角度流型特征图像。对流型图进行图像预处理得到可操作的二值化图像对,根据不同流型流动机理与相分布特征进行三维重构,并基于三维重构模型计算含气率。通过将6.68 mm,4.75 mm,3.12 mm内径管道与标定含气率对比发现使用三维重构计算两相流含气率的方法误差分别为10%、10%和14%,证明了这种测量含气率的新方法是可靠的。(3)在基于图像处理的含气率流型识别方面,使用二值化流型图像对截面含气率进行测量,使用截面含气率随时间的波动图像以及截面含气率PDF图像进行流型识别,结果发现截面含气率波动图像能够精确预测间歇流动与连续流动,间歇流动的截面含气率PDF图像为双峰结构,连续流为单峰结构,但对于间歇流中处于过渡曲线附近的泡状流与弹状流,截面含气率信号以及PDF的波动没有明确区别。(4)在含气率预测模型评估方面,含气率预测模型主要分为滑移率结构、KH结构、漂移通量结构以及经验公式结构等。使用本文含气率数据对现有含气率预测模型评估,使用绝对误差、均方根误差以及截止参数三种评估方法。结果发现由于大部分含气率预测模型都是基于空气-水得到的,这与本文中实验工质相同,因此四种结构均表现出很好的预测性能。其中滑移率结构中的Smith模型、KαH结构中Chisholm模型、漂移通量结构中的Gregory and Scott模型与经验公式结构中的Huq-Loth模型预测结果较好。最后基于漂移通量结构的Gregory and Scott模型添加修正因子进行改进,结果显示对于本文工况下的含气率,改进后的含气率模型预测能力有很大的提高。