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低温流体广泛应用于各种低温换热设备中，低温测量技术在低温研究中必不可少。和液氢等危险性高的低温流体相比，液氮安全、无毒而且廉价，在实验测量研究中经常被用来代替其它低温介质以获得共性的特征。本文采用裸装的PT100贴片式铂电阻温度传感器，对于裸装温度传感器，温度敏感介质铂芯片直接与管道壁面接触。由于温感器的尺寸和管道尺寸的差异以及安装过程中操作不当会导致温度计与管壁之间的接触面有完全接触和非完全接触两种形式。本文拟利用Fluent软件，建立数值计算模型，采用MIX多相流的流固耦合模型，并通过编写UDF实现液氮的气液相变，模拟温度传感器在两种不同接触方式、不同安装位置、液氮不同流速以及不同管长条件下管道内液氮与管壁和传感器之间的传热问题以及温度传感器的温度变化规律。
物理数学模型：
（1）预冷管道和温度传感器模型
以φ20×5 mm管长分别为200 mm和1 000 mm的水平直管段为研究对象，管道材质为0Cr18Ni9的钢管，导热系数为11.8 W/（m·K），管厚5 mm，温度传感器为6×3×6 mm的瓦片式立方体芯片结构。管内流体通过与管道内壁的对流换热以及管壁的导热与温度传感器之间进行热交换，并且当管外壁与温感器表面处于自然对流边界时，环境中的空气也参与对流换热。
液氮预冷管道会发生气液相变换热和两相流动，对于本文的研究作如下简化：
（1）忽略管壁与温度传感器之间的接触热阻；
（2）管壁和传感器材料的热容、导热率等物性不随温度发生变化。
在以上简化假设的基础上，流体满足求解的连续性方程、动量和能量方程。
本文采用能量平衡关系，通过UDF加入Fluent中模拟液氮的相变传热传质过程，将其处理为混合物的能量方程和液相质量方程气相质量方程中分别加入源项来计算的相变过程。
根据能量守恒原理：
则气体质量的产生速率为：
即可得能量变化为：
式中：α是松弛系数，用于调节气体产生速率；ρl是液相密度；αl是液相所占体积；cp是液相定压比热，Tsat和hlg分别是液氮汽化温度和液氮汽化潜热。
数值模拟结果及分析
（1）接触面积和不同边界条件的影响
（2）不同安装位置的影响
（3）不同流速和不同管长的影响
主要结论
1.计算结果表明对于温度传感器完全接触管外壁和不完全接触时，完全接触情况下温度下降的趋势略快，随着时间增加并达到热平衡后，两种情况下温感器的温度趋于相同，所以在实际安装过程中要尽量保证传感器与被测表面间的良好接触；
2.对管外壁处于自然对流边界和绝热边界进行对比计算分析，结果表明，前者条件下温度传感器的温度下降速率小，且达到热平衡时，由于外界空气的自然对流作用，测量的温度值高于绝热边界条件下所能降至的液氮沸点温度；
3.在预冷管道的4个不同位置分别安置温度传感器，模拟结果发现，置于中间底部的温感器温度变化快，其次是末端底部，随后是中间上方位置和末端上方位置，并且管道底部和上方位置的温度传感器存在温差，这是由于气液两相不同的对流换热强度所至；
4.对不同流速的液氮模拟计算，结果表明，流速越大，对流换热强度越强，温度下降的趋势越明显，且降至的温度也越低；当预冷管道越长时，所需的冷量也就越多，预冷的时间也更长。
