气液螺旋环状流的典型特征是液相以液膜形式贴管壁螺旋流动，气流在管道中心螺旋流动。由于螺旋环状流具有流动有序、携液能力强、传热系数高等特点，广泛应用于气液分离、强化换热、物料输运、流动安全保障等工业领域。螺旋涡流作用下的液膜形成与流动、界面波运动、液滴夹带机理是螺旋环状流研究的主要科学问题，由于缺乏丰富的实验数据和可靠的理论分析模型，至今尚无深刻认识。研究气液螺旋环状流液膜流动与界面波特性，获得相应的动力学机理与系统规律，对丰富气液两相流基础理论具有重要的学术价值，同时在相关工业领域中对提高效率与安全都具有重要的应用前景。
本文采用机理实验和理论分析相结合的研究方法，系统研究了垂直上升管中螺旋环状流的动力学特性。首先，设计并搭建了气液两相螺旋流动实验系统，获得了起旋器螺旋涡流作用下气液相运动及分布规律；基于实验研究，分析了螺旋环状流形成及流型转变特性、液膜流动与界面波运动规律、夹带液滴产生机理，建立了相应的动力学模型并掌握了定量预测方法。主要结论和认识如下：
（1）获得了螺旋涡流作用下气液两相螺旋流的典型流型，发现螺旋环状流能够在相对低的气速条件下形成。螺旋涡流作用较弱时，起旋器下游流型与来流流型相同；增强螺旋涡流作用，起旋器下游流型发生显著变化，泡状流转变为厚液层的螺旋气柱流，高液速弹状流转变为螺旋气柱与狭长气弹交替运动的螺旋间歇流，高气速搅拌流和高液速环状流转变为螺旋环状流，低液速环状流转变为螺旋丝带流。绘制了螺旋两相流流型图，获得了形成螺旋环状流的气液流速范围，发现螺旋环状流能够在相对低的气速条件下形成。
（2）建立了预测螺旋环状流流型转变的动力学模型，揭示了导致流型发生转变的不稳定机理，发展了预测流型转变的通用公式。低液速条件下，气相剪切力不足导致薄液膜失稳，螺旋环状流转变为螺旋搅拌流；高液速条件下，厚液膜因桥联发生自然阻塞失稳，螺旋环状流转变为螺旋间歇流。从液膜倒流和气相临界携液的角度，建立了预测螺旋环状流流型转变的动力学模型，给出了相应的判断准则，获得了关键工况参数对流型转变界限的影响规律，发现管径越小、工作压力及螺旋涡流强度越大，形成螺旋环状流的气相临界携液速度越小，由此发展了适用于不同强度螺旋涡流作用下流型转变的预测公式。
（3）建立了气液旋流分离效率计算模型，提出了气液旋流分离的相似准则。螺旋环状流的形成与液滴的运动密切相关，考虑液滴尺寸及其空间分布，建立了液滴旋流分离形成液膜的动力学模型，得到了螺旋涡流作用下液滴临界分离粒径、粒径分离效率和总分离效率的理论计算式，提出了描述气液旋流分离过程的相似准则，讨论了在相似条件下，不同几何尺度、不同流动工况之间气液分离效率的定量关系，通过室内实验验证了其合理性。
（4）发展了圆管内液膜厚度的光学测量与修正方法，获得了螺旋环状流中液膜流动与界面波运动的系统规律。为消除光学折射导致的液膜测量误差，建立了液膜厚度光学成像模型，得到了液膜厚度的计算方法。发现了液膜厚度沿轴向先增大后减小，厚度峰值出现的位置随流速的增大向下游移动。界面波频率为2~5　Hz，受流速及流动距离的影响小。界面波波速受液膜流动影响显著：高气速时液膜保持向上螺旋流动，波速沿轴向先迅速增大后逐渐减小；中等气速时液膜轴向间歇性停滞而周向保持旋转，波速沿轴向几乎不变；低气速时液膜出现间歇性倒流，波速沿轴向先逐渐增大后迅速减小。高气速时，界面波波长为0.3~2　m，沿轴向先增大后减小，随流速增大而增大。
（5）揭示了螺旋环状流中界面波稳定性机理，发展了液滴夹带率的理论模型及其通用计算式。基于Kelvin-Helmholtz不稳定理论，得到了螺旋环状流中界面波稳定性判断准则，发现了气液动压的相对大小决定螺旋涡流对界面波稳定性的影响：当气相动压小于液相动压时，有利于界面波维持稳定；当气相动压大于液相动压时，不利于界面波稳定；当气液动压相等时，不影响界面波的稳定性。基于界面失稳产生夹带液滴的动力学机理，建立了螺旋环状流内液滴夹带率的理论模型，发展了环状流内液滴夹带率的通用计算式，预测精度与适用范围均显著优于文献结果。