随着我国深空探测任务,特别是载人登月计划、火星计划的不断推进,低温流体（液氢、液氧、液态甲烷等）由于具有比冲高、无毒、清洁等优点,将逐渐取代常规推进剂来作为新型运载火箭的首选推进剂,满足未来深空探测任务需求。然而低温推进剂具有汽化潜热小、沸点低等属性,在轨贮存时受到微重力条件、外层空间热辐射等多种因素作用,必然引起蒸发升压问题。热力排气系统TVS技术被认为是解决低温推进剂长期在轨贮存的可行方案之一。它引入节流概念,充分利用一小部分排放流体节流后的潜热和显热,对储箱内其余低温推进剂进行冷却,将压力有效控制在合理范围内;所排放流体经换热后变为低压气体,从而实现只排气不排液。节流部件是热力排气系统中的核心部件,当低温流体流经节流部件时,存在压力骤变及相应的气液相变问题。液态或者气液两相低温流体的节流与常规气体和制冷剂的节流存在差异。为了准确设计计算面向诸如热力排气系统等应用所需的节流部件,有必要开展针对低温流体的节流过程流动特性及热力学特性研究,特别是搭建相关实验台,进行热力参数测量和高速可视化图像分析,从而揭示节流部件结构参数及低温流体物性参数与节流效应之间的作用规律。具体地,本文开展了以下几个方面的研究工作:（1）从伯努利方程和连续性方程出发,推导了节流过程节流体积流量与节流前后压力及密度的关系式。以液氮为工质,分别绘制了过冷液氮不同节流前过冷度、气液两相液氮不同节流前气相质量分数下,节前过冷度和气相质量分数与节流后气相质量分数及单位质量制冷量的关系曲线,并结合热力学第一定律及微分方程,做了理论分析。（2）设计并搭建用于研究低温节流过程气液两相流可视化的实验系统。设计了用于低温液体节流用实验真空腔体及透明节流部件结构。通过采用液氮过冷器、热沉结构、绝热方式等,保证进入节流前的液氮具有一定过冷度;利用PLC控制器编程调节低温调压阀开度以实现节流前压力的稳定控制;使用高速相机及同轴异侧打光形式以拍摄节流后空化区流动形态、空化区长度及气泡周期性脱落现象。以渐缩渐扩管小孔型节流部件和液氮作为研究对象,利用该装置对不同节流前过冷度、不同节流前压力情况下的节流部件前后物性状态参数进行了实验测量,并拍摄了流动结构的视频图片。结合第二章的理论分析,揭示了节流后气相质量分数与最大温降、空化数与节流前后压比的相互关系;分析了节流前不同过冷度和不同压力对于温降、节流后气相质量分数、单位质量制冷量的影响。（3）构建低温流体节流过程仿真模型,通过选择合适的空化模型、湍流模型、物性参数、边界条件及其他计算设置,进行低温节流过程的数值模拟。将获得的液氮在流经节流管后的压力场、温度场以及气相质量分布与所测实验数据对比,结果表明仿真计算与实验数据仿真计算与实验数据存在一定误差,并分析了误差原因。综上所述,本文工作搭建了可以控制节流前压力及过冷度的低温节流过程气液两相流可视化实验装置,也建立了节流过程数值仿真模型。从实验和理论两方面揭示了节流后气相质量分数与最大温降、空化数与节流前后压比的相互关系,明确了过冷液氮节流前压力及过冷对其温降、压降、气相质量分数及单位质量制冷量的作用规律,所获得的研究结果将有利于优化设计面向航天低温推进剂贮存应用的节流部件设计,以达到降低推进剂排放损失的目的。