液泛是指气液两相逆流过程中,部分液体受气体作用被携带至液体进口以上的现象。液泛现象广泛发生于重力热管、紧凑式换热器、规整填料塔等工业设备中,不仅破坏正常流动,而且还往往伴随压降陡升现象,因此对设备的运行产生不利影响。由于液泛发生过程界面波发展及气液相互作用的复杂性,现有的理论尚不能准确描述这一发展过程。液泛也是限制低温规整填料精馏空气处理量的主要因素,是实现大规模低温空气分离的主要障碍之一。由于液氮、液氧等低温流体与常规流体相比物性差别巨大,低温液泛机理愈加复杂,常规采用的室温流体液泛实验关联式在低温下的适用性、准确性急待验证。本文以完善液泛形成理论模型和探索液氮温区流体液泛机理为目标,主要展开了以下四个方面的研究工作：1、提出了用于规整填料塔内气液两相CFD模拟计算的三维几何结构,阐明了液泛发生前两相流在规整填料结构中的发展及特点。计算流体力学的快速发展为精馏设备效率的进一步提高提供了更有效的计算方法。当前,描述规整填料内两相流特性的常用方法为基于流体体积数学构架(VOF)的二维几何模型,不能反映气液相的实际流动情况；而现有的三维模型几何复杂度高,同时计算机资源的要求高,难以满足实际需要。本文利用镜像处理方式,提出由三角通道组成的三维模型,大大减少了网格数。本文计算分析了润湿面积、出口处液相流量波动、液膜厚度的空间变化以及压降情况。计算结果均与其他研究者的实验观察相符合,从而对液泛发生前的两相流动特性和影响因素有了定量的认识,为液泛形成的进一步理论分析做好准备。2、建立了竖直圆管中液泛形成过程三维数学模型,揭示了界面波不稳定性与环向传播,以及两相流速、物性和通道直径的内在联系。线性稳定性理论已广泛应用于界面不稳定的预测。对于竖直圆管内液泛发生的理论预测,现有基于线性稳定性理论的计算均采用界面波轴对称假设,其预测结果低于实验值。事实上,由于扰动的非对称性,这一假设往往并不适用,而环向波动对界面的稳定性具有重要影响。本文基于线性稳定性理论,引入了环向波数,建立了相应的环向质量和动量守恒方程,理论求解了竖直圆管中的三维界面波不稳定机理,揭示了界面波不稳定性与两相流速、物性及通道直径的内在联系。计算结果表明,环向波动有利于遏制液泛发生,三维模型预测结果与实验结果吻合较好。3、建立了倾斜圆管内液泛形成过程的数学模型,揭示了大倾角圆管中液泛气速与管径、倾斜角度及工质物性的内在联系。倾斜通道是实际工业设备中最常见的传输管路形式,目前用于分析倾斜通道内液泛情况的模型要么是为一维模型,要么未考虑通道内的有限壁面边界条件,仅适用于水平或接近水平通道的液泛预测。本文根据倾斜圆管内液膜流动特点及液膜厚度与液泛临界波长间的关系,将圆管内分层流动的三维波进行合理简化,利用线性稳定性理论,建立了适用于计算大角度倾斜圆管内液泛发生临界条件的数学模型。计算结果表明,该模型与已公开文献中的实验结果吻合良好,同时充分考虑了圆管结构及工质物性特点,尤其是低温流体的特殊性质对液泛发生的影响。本文提出了以气液相密度比(RHO)作为初步判断液泛气速值的量度,在计算中发现低温流体的液泛气速远低于室温流体,并证明了RHO量度的合理性。4、以空气-水以及液氮-饱和氮蒸汽为工质进行了倾斜圆管内液泛的实验研究,验证了本文数学模型对不同温区流体的适用性及准确性。现有的液泛实验研究几乎均以室温流体为工质。工质物性不同将导致液泛发生机理的不同,然而公开报道的低温流体液泛实验研究非常稀少。本文设计搭建了倾斜圆管内液泛可视化实验装置,分别采用常温工质空气-水以及低温工质液氮-饱和氮蒸汽进行了对比实验研究。将低温工质的液泛情况与常温工质进行对比,发现室温流体(水/空气)液泛发生的特征是管内“柱塞”流,且液泛发生时界面波基本保持完整波形。而液氮流体发生液泛时,由于气液密度比远大于室温流体,同时液体粘度极小,使得气体惯性力较大从而能够击碎界面波,形成特有的雾状流动,令通道内的压降小于室温流体。实验测得低温流体的极小液泛气速与理论计算结论相符。本文讨论了现有典型液泛预测公式在低温流体情况下的适用性后,进一步验证了本文提出的数学模型能够较准确地预测倾斜圆管内室温及低温流体的液泛发生气速。