气液两相流动广泛应用于能源、化工、食品、生物、航天等各个工程领域，因此受到研究者密切的关注。两相流流型作为两相流动研究的基础，反映流动中相态的时空分布特性，对流动和传热特性产生极大影响，是研究其它两相流动和传热问题的前提和先决条件。但是，气液两相流流型受到多种因素的影响，其形成和转变的物理机制极为复杂，虽然已有相关研究阐释其形成和转变机制，但大都基于形态学现象解释，欠缺反映相间作用的相态行为研究，因此造成流型转变判据存在差异性大、适用性差等问题。在具体实验研究过程中，流型难以精确识别和辨认，特别是在高流速工况下，这对流型转变的实验研究造成了极大的困难和挑战。
　　本文以空气-水两相作为研究对象，运用空泡仪、电导探针、高速摄像仪等先进两相流探测技术，围绕泡状流向弹状流、弹状流向搅混流转变的内在气泡动力学机制，开展流型客观识别、单气泡静止流场内上升行为、圆管流道内气泡群动力学特性、截面相态分布特性、弹状流结构参数演变特性等两相流实验研究。
　　流型客观识别实验研究中，开发了ReliefF-FCM算法，对流型进行客观精确的识别，并依据识别结果，提出25.4mm竖直圆管的向上及向下流动的客观流型图。通过对比安装在流道入口、中段以及出口处(L/D=25,85,145)空泡仪获取的信号，分析流型在轴向不同位置差异，发现入口效应对弹状流的形成和发展具有重要影响，分析认为这主要是由于入口湍流搅混作用引起。为深入分析流型转变的气泡动力学机制，需要了解单气泡特性。研究应用高速摄像仪，自主开发以Perona-Malik非线性滤波和Canny边界识别算法为基础的图像处理程序，对2-12mm单气泡形变、上升轨迹、上升速度进行频率分析，依据上升振荡特性分为三种不同的气泡上升模式。对于2-6mm气泡，由于该尺寸范围内气泡与流型转变区域内气泡尺寸较为吻合，因此进行深入研究。该尺寸范围内气泡上升轨迹振荡剧烈、曳力系数显著上升、形变与上升速度存在紧密关系。考虑该区域内曳力与形变存在紧密联系，受表面张力、粘性力、惯性力影响，提出以厄缶数(Eo数)和伽利略数(Ga数)为基础的气泡纵横比模型，代入曳力系数模型进行修正，并与其它曳力模型进行对比，结果显示本模型与实验结果更为吻合。
　　在圆管流道内气泡群动力学特性实验研究中，利用四探头电导探针，获取竖直圆管内不同工况下泡状流及泡状向弹状流区域内局部气泡尺寸、气泡上升速度、界面浓度、空泡份额等参数，进一步研究流型转变内在气泡群动力学机制。研究发现，与单气泡上升相比，气泡群间相互作用对气泡上升存在阻碍作用，致使气泡上升速度下降。该阻碍作用随着气泡尺寸增大，空泡份额的增加而逐渐增大，并在流型转变区域内达到最大值。根据流型转变区域内气泡尺寸分布及对应单气泡曳力系数，开发流型转变区域内泡群曳力模型。通过截面相态分布特性实验研究，发现流型转变区域内气泡动力学特性与充分发展泡状流存在差异，特别是两相滑移特性，两相滑速比随着气相流量的增加在泡状流内逐渐降低，并在流型转变区域附近达到最小值并开始上升。研究发现泡状流内两相滑速比的下降是由于泡状流内气泡位于表面张力控制区，曳力系数随气泡尺寸增大而减小，造成两相速度比的降低，导致气泡更容易发生聚并。因此，选用两相速度比变化特性，引入极值条件，结合改进的漂移流模型，作为泡状流向弹状流的转变判据。随后，运用该判据预测不同几何结构的流道，验证其适用性。该转变判据从单气泡动力学行为出发，充分考虑气泡间、流场与气相间相互作用等影响，以实验现象作为依据，揭示泡状流向弹状流转变的内在物理机制，具有较为广泛的适用性和准确性。
　　通过弹状流相态分布及演变特性实验，研究25.4mm圆管内弹状流分布参数随流型变化的情况，利用空泡仪，研究气弹和液块的长度以及各部分空泡份额变化情况。发现一种新的相态组织形式，即搅混单元结构，并分析了其在流型转变过程中的作用。研究还讨论了在高液相流速下，弹状流直接向环状流发生转变，而在低流速下向搅混流转变这一现象是由是否发生液泛决定的，并提出理论论据。此外，发现在液相表观流速一定的情况下，随着气相表观流速的增加，液块空泡份额和气弹/液块长度比单调递增。基于以上实验现象，根据液块空泡份额和气弹/液块长度两参数，提出了弹状流向搅混流转变的判据。