深低温固液两相流体即深低温浆体,比常沸点液体具有温度更低、密度更大以及热容量更高等优点。目前深低温浆体的研究主要针对氢浆和氮浆。氢浆是潜在的航天推进剂以及低温超导与中子源冷却剂,而氮浆则在高温超导电缆的冷却方面具有应用前景。从上世纪六七十年代开始,在低温浆体的制备、观测以及流动传热特性等方面已经取得了一定的研究进展,但深低温固液两相流的流动与传热机理十分复杂,目前的研究仍然非常有限,距离低温浆体在航天与高温超导领域的实用化依然存在较大的距离。本文对低温浆体的密度、液位、流速测量以及管内流动换热的机理等方面展开了理论与实验研究工作,研究内容包括:1)针对深低温固液两相流体在水平管内的流动与传热,建立基于群体平衡方程的双流体数值模型。该模型中,通过引入浆体表观粘度公式以及耦合群体平衡方程,修正了固液相间曳力模型与相间传热模型,并计算了颗粒破碎引起的颗粒尺寸分布,从而考虑颗粒尺寸和浓度对于固液相间质量、动量及能量传输的影响。该模型对于低温浆体的流动及传热特性计算具有高精度及高可靠性。2)搭建了氮浆制备及流动传热实验系统,对用于低温浆体测量的电容式密度计、液位计及流量计的测量方法和结构进行了优化。该实验系统采用冻结-融化法进行氮浆制备,实验制备的氮浆中固氮颗粒基本为均匀的球体或椭球型晶状,颗粒尺寸在0.4-3 mm范围内,平均尺寸为1.5 mm左右。为了提高电容传感器的测量精度和动态响应分辨率,采用高精度、高分辨率、高线性度的电容数字转换器进行电容信号采集;此外,液位计增加了全屏蔽同轴保护套管结构,减少了机械扰动及电磁干扰。对优化的密度计、液位计、流量计在氮浆的制备及老化实验中进行了测试。结果显示,优化后的电容式测量仪器具有良好的精度、灵敏度和稳定性。3)对氮浆在水平圆管与波纹管内的流动特性进行理论和实验研究,探究低温浆体压降减小现象的物理机制。氮浆压降减小现象与颗粒浓度、流速、颗粒尺寸和管径等因素有关。实验研究了氮浆流动压降与流速及颗粒浓度的关系,并对比相同工况下的过冷液氮。同时,通过模拟计算,定量分析流动压降减小现象与颗粒尺寸和流动管径的关系。根据实验与模拟的结果,在较大管径的水平圆管、较高流速以及较低颗粒浓度时,氮浆的流动压降减小现象更容易发生。在水平圆管内,氮浆在均质流流型区域时,流动摩擦因子十分接近过冷液氮。此外,对于波纹管内的流动,颗粒浓度对氮浆流动压力损失影响较小,氮浆具有与过冷液氮几乎对等的流动性能。在实验结果的基础上拟合了氮浆水平圆管及波纹管内流动摩擦因子与浆体雷诺数的经验关联式。4)对氮浆在水平圆管内的对流传热性能进行理论和实验分析,探究低温浆体传热削弱现象的物理机制。氮浆传热削弱现象与颗粒浓度、流速、颗粒尺寸和管径等因素有关。实验研究了氮浆流动压降与流速及颗粒浓度的关系,并对比相同工况下的过冷液氮。同时,通过模拟计算,定量分析传热削弱现象与颗粒尺寸和流动管径的关系。氮浆的传热削弱的主要原因是高浓度颗粒的聚集抑制了氮浆液相的对流传热作用。此外,具有较大尺寸的颗粒的聚集减弱了液相的湍动能,抑制了固液界面传热和液相的热对流作用。在实验结果的基础上拟合了氮浆水平圆管内传热努塞尔特数与浆体雷诺数的经验关联式。