针对石油工程中泡沫流体的应用背景,设计、安装了一套泡沫流体管内流动与传热的实验系统,结合数值模拟方法,以空气、水、起泡剂等为工作介质,对泡沫流体的流变模式、水力计算方法以及强制对流传热特性进行了较为系统的研究。实验表明,可以采用幂律方程作为泡沫流体的流变模式,并拟合得到了不同工况下泡沫流体的流变方程,通过实验研究了泡沫质量、温度、压力及起泡剂浓度等对泡沫流体流变性的影响。采用算术平均值和平均相对偏差对现有的计算幂律流体在管内湍流流动时摩阻系数的计算方法进行了对比分析,确定了可用于计算不同流变指数下泡沫流体摩阻系数的公式。对宾汉流体在管内湍流流动时摩阻系数的两种计算方法进行了比较。分析了雷诺数、流变指数和屈服应力与壁面剪切应力的比值对屈服假塑性流体湍流摩阻系数的影响。对泡沫流体在管内的层流流动进行了实验研究。实验表明,现有的摩阻系数计算公式用于泡沫流体时具有很高的精度,通过实验确定了泡沫质量、温度、压力和起泡剂浓度等对摩阻系数的影响。以Pigford公式为基础,通过实验拟合得到了适合于泡沫流体管内对流传热的关联式,并研究了流速、泡沫质量、壁面温度、压力及起泡剂浓度对对流传热特性的影响。结果表明,平均努塞尔数随流速、泡沫质量和起泡剂浓度的增加而增大,随压力的升高稍微增加,随温度的增加呈现降低的趋势。建立了泡沫流体在管内流动与传热的物理与数学模型,采用SIMPLE算法对泡沫流体在管内的流动与传热进行了数值模拟。通过与实验结果的对比,数值模拟结果与实验结果有较好的一致性。通过数值模拟,得到了泡沫流体的压降和管截面平均温度的沿程分布曲线、以及速度的径向分布曲线,分析了流变参数、流速及气相工质对泡沫流体管内流动与对流传热的影响。