“能源与环境”是当今世界的一大主题，目前的能源形势并不容乐观，能源利用带来的环境污染问题也日益严峻，发展先进的能源利用技术是缓解能源压力，改善生态环境的一条重要途径。　　在能源利用过程中往往存在着各种相变过程，能量通过特定的工质作为载体，以相变的形式实现能量的传递、转化和回收，因此关于气液相变过程的能量转换研究具有非常重要的理论价值和实际意义。本文研究的气液相变侧重于气体在快速膨胀过程中的自发均质凝结过程，通过拉法尔喷管将这一物理过程实现，并从理论分析计算、数值模拟和实验三个方面进行了研究。　　在理论分析和数值模拟部分，首先利用超临界二氧化碳作为工质，进行了膨胀凝结数值模拟计算模型的初步探索。对临界点附近的二氧化碳的实际状态方程进行了改写拟合，得到了与前人实验值基本吻合的状态方程并应用于数值计算，通过将凝结产生后流场的温度和压力限制在饱和线上的方法将凝结与流动耦合起来，一维二维的数值计算结果得到了很好的吻合。随后在二氧化碳的数值模拟基础上，引入过饱和度的概念，提出了通过控制过饱和度在凝结产生前后的变化特性实现对流动过程和凝结过程的耦合，建立了更完善的数值计算模型。对最常用的工质水（水蒸气）进行了一维理论计算和变工况分析，并在新的模型下进行了二维数值模拟及变工况分析，理论计算和数值模拟结果吻合，并且体现了二维模拟中由于流体的粘性耗散和壁面的摩擦效应带来的变化。变工况分析得到了喷管初终参数对于流动和凝结的影响。　　在实验部分，完成了水蒸气在拉法尔喷管内的超音速膨胀凝结流动的实验的主要部件的设计及选型，搭建了实验台。通过机械隔膜计量泵和PTC即热式加热器获得过热蒸汽，然后送入设计制作好的拉法尔喷管进行膨胀，膨胀终了的湿蒸汽经冷凝器冷凝回收并维持一定的背压，并根据冷凝器的能量平衡法测算出喷管出口处的凝结量。进行了两类变工况实验，即分别调整给水流量和加热器功率，研究凝结量的变化，实验结果与相同进出口参数下的理论计算值具有相同的变化趋势。最后利用纹影仪对膨胀凝结流动的流动场进行观测，并将不同出口凝结量下的纹影照片进行数字化处理，提取出图像中的灰度值，得到了凝结量与图像灰度之间的变化关系，说明了纹影法作为流场可视化的一种手段可以有效地对膨胀凝结的流动进行定性及定量评估。　　本文所提出的膨胀凝结数值计算模型，在不考虑微观机制仅研究宏观参数的变化特性的条件下，大大降低了计算代价同时又不失准确性，具有一定的创新性和较好的理论价值。实验结论为以后的研究提供了可靠的实验依据，实验中所遇到的困难以及获得的经验都为以后的研究打下了较好的基础。