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低温气液两相流是低温工程中经常遇到的现象，例如低温管路中的火箭推进剂和液化天然气输送，以及高热流密度的芯片冷却。低温输送管路内不可避免的漏热将形成小气泡，小气泡相互碰撞合并进而生成Taylor气泡。这些Taylor气泡导致管路堵塞并将低温液体挤出管路形成喷发。回流的低温流体还会导致管路和阀门的结构损坏，并造成火箭发动机的气蚀。因此低温流体中Taylor气泡的形成、发展和合并是低温工程中的重要问题。在一定漏热条件下，管路内尚未发生间歇泉时，就会出现弹状流动，这已经对火箭发动机的安全运行造成极大隐患。因此，准确判断低温管路中Taylor气泡的形成位置非常重要。Taylor气泡周围的流场，尤其是尾迹区流场是Taylor气泡合并过程的关键因素，两个连续的Taylor气泡之间的相互作用过程取决于领先气泡的尾迹区流型。首先，不同的尾迹区流型（层流、过渡流或湍流）导致不同的合并速率，一些尾迹区流型甚至会阻止两个Taylor气泡的合并。因此，尾迹区的流型决定了弹单元中的Taylor气泡长度份额，进而影响低温气液两相弹状流的压降参数和空泡份额。其次，Taylor气泡尾迹区内的湍流强度决定了液弹中弥散气泡和液体的速度分布，也会影响两相流动的空泡份额。同时Taylor气泡头部区域的流场对Taylor气泡的上升速度有重要影响。综上所述，Taylor气泡周围流场的研究是低温气液两相弹状流中的重要课题，对低温系统的工作效率和安全运行都具有重要的科学意义和实用价值。在低温管路中，由漏热产生弥散气泡到Taylor气泡的形成，以及间歇泉的产生，这是一个整体的连续过程，其中对Taylor气泡的形成过程还缺乏统一的判据，而且该过程的研究尚未涉及管路内的流动结构对Taylor气泡形成的影响。对于低温气液两相弹状流研究，大多数研究限于宏观流动特征，如压降测量和图像研究。由于低温气液两相流中流场测量的难度较大，关于低温气液两相流中Taylor气泡周围流场的研究国内外未见报道，且尚没有建立针对低温气液两相流中Taylor气泡尾迹区流型的判据。低温流体的研究已经远落后于常温流体。本文以液氮为工质，对低温管路中由漏热产生的Taylor气泡的形成、运动和合并过程进行了实验和数值模拟研究。对漏热形成的低温气液两相流动中Taylor气泡的形成位置、长度和速度分布进行了可视化研究。使用PIV流场测量方法对低温液体中Taylor气泡周围流场进行了定量测量，使用POD数据分析方法对PIV测量结果进行了进一步分析，探讨了流场的湍流大尺度结构对Taylor气泡之间相互作用的影响、管路内湍流强度对Taylor气泡形成的影响，最后对对理想状态下，静止低温流体中单个Taylor气泡的运动特征和周围流场结构进行了数值模拟研究。具体如下：（1）建立了适用于低温气液两相流动的PIV测速和可视化测量相结合的实验平台。针对圆形截面管路中的图像畸变问题，建立了一种通用的可用于多层管壁情况下的直接校正方法。使用方形规则化网格进行验证，最大相对误差不超过3%。使用Fortran语言编制了通用校正程序。（2）利用上述实验台结合高速相机在多种倾角下，对多种管路内液氮沸腾形成的气液两相流动中Taylor气泡宏观特征进行了可视化研究。分析了多种倾角下Taylor气泡的合并过程，建立了跟随气泡和领先气泡速度与气泡间距的关系。已有的由常温流体得到的速度关系式不适用于液氮流体，普遍高估了本文实验结果，新建立的关系式和实验结果吻合较好。得到了Taylor气泡的形成位置、速度和长度份额分布与管路内径、倾角的关系。（3）使用所建实验台结合PIV实验手段得到了Taylor气泡周围流场结构。结果分析表明，常温流体中Taylor气泡尾迹区流型判定方法不再适用于液氮流体，传统理论认为当无量纲流体逆粘度数Nf>1500时，Taylor气泡尾迹区为湍流。在液氮流体中，当Nf数远大于这一临界值时，液氮流体中的Taylor气泡尾迹区仍然为过渡流和层流。（4）使用POD方法对PIV实验结果进行了进一步的分析，得到了尾迹区流场中湍流大尺度结构，解释了可视化实验中不同倾角下Taylor气泡合并过程，得到了改变Taylor气泡尾迹区的湍流大尺度结构可抑制Taylor气泡的合并的结论。（5）在PIV实验和可视化实验的基础上，考察了流场湍流强度、热流密度、管路内径和管路倾角等对Taylor气泡形成的影响，提出了无量纲气相速度vq。在此基础上，建立了液氮管路中由漏热形成的Taylor气泡的生成位置预测公式，公式预测结果与本文和文献中的实验结果相比最大误差在±20%以内。（6）使用VOF方法对静止液氮中，单个Taylor气泡运动的理想过程进行了数值模拟，得到了尾迹区流型转变过程、上升速度、尾缘几何特征等。与文献数据对比表明本文模型可信。得到了Taylor气泡尾迹区内层流、过渡流和湍流的流型转变过程，建立了适用于液氮流体中Taylor气泡尾迹区流型转变的判据，该结果也表明常温流体尾迹区流型判据不适用于液氮流体。