目前,我国石油库储量保持快速增长态势,为满足石油战略储备库建设的需要,储油罐正逐渐向大型化、集群化方向发展。油库潜在危险性高,一旦发生爆炸火灾,损失十分惨重。近年来,大流量高效灭火设备是消防安全领域研究热点。低温液氮与泡沫混合液直接接触产生氮气泡沫是一种新型的掺混形式,液氮便于大容量储存,容易实现大流量泡沫制备,符合油气储罐灭火时需要大流量泡沫的特点。该新型发生器主要放在可移动消防车上,研究液氮射流情况、快速相变过程、扰流器强化机制及流体流动特性等对该发生器的工业应用具有重要的理论指导意义。本文设计搭建了两套实验装置,包括液氮水下射流小尺度水槽实验和新型液氮泡沫可视化实验。编写了Labview、IMP温度和声信号采集程序,测量压力、温度、流量及声信号等参数;利用高速摄像、单反相机同步进行图像采集。针对复杂的多相流动传热过程,采用数值模拟和机理建模,自编辑UDF实现气液相变,模拟研究液氮水下射流和发生器内氮气-水两相流,揭示低温液氮快速相变过程的物理机制和流场分布规律。液氮水下射流实验发现,液氮与水之间传热效率较高,快速相变剧烈,其能在较短的时间内温度升高接近水温;射流具有周期性,历经自由射流、冰柱生长以及冰柱脱落三个阶段;流体间歇性及沸腾不稳定性的主要原因是液氮射流形成的冰柱具有“多孔”、自脱落特性,冰柱生长速度随着射流雷诺数的增大而增大,但随时间逐渐减小,且轴向生长速度衰减幅度大于径向,在环境水的作用下,冰柱的产生和融化存在动态平衡;液氮喷嘴与扰流器顶部间距和液氮流量对冰柱堵塞管路影响显著。结合数值模拟研究,间距和液氮流量对温度场的影响较小,同一截面处,含气量随液氮流量的增大而增大,随间距的减小而增大。对于大尺度氮气-水两相流可视化实验,浮升力占主导作用,沿程呈分层流;随着液氮流量的增大,各个测点处温度降低、压力升高,采集到的声信号及其参数也增大。间距越小,扰流器强化射流破碎作用越强。根据数值模拟,扰流器存在的情况下,射流长度较小,不同位置处截面含气率均大于空管;液液比对压降和温度的影响不明显,但同一位置处截面含气率随液液比的增大而增大;回流区及对涡对气液掺混具有强化效果。对于大尺度液氮泡沫可视化实验,液氮相变汽化产生的氮气进入泡沫,温度有所回升,并最终趋于泡沫混合液温度;发生器内沿程压降较小;灭火泡沫流动可分为6个区域:低温液柱区、向上循环翻滚区、滞留区、泡沫与泡沫混合液混合区、致密泡沫区和泡沫混合液区,扰流器前后气液掺混效果较好;氮气-水两相流相间存在较清晰的气液界面,而灭火泡沫分层不明显,泡沫混合液层较薄,其向下游流动过程中持续发泡;泡沫发生腔突缩管的设计使得气液三次掺混。声信号频率在50k Hz～150k Hz范围内,致密的泡沫会影响声音的传输,与氮气-水两相流相比,声信号会一定程度上衰减,振铃计数、幅值等声信号参数较小。为提高气液掺混效果,防止管路结冰,造成混合器严重冰堵,需合理控制间距、泡沫混合液与液氮流量。