含不凝气体蒸汽凝结现象广泛存在于空调制冷、热力发电、海水淡化、工业余热回收等领域。不凝气体的存在使得蒸汽凝结传热系数大大降低,研究含不凝气体蒸汽凝结的传热传质特性和机理,深入探讨传热传质过程中的影响因素,对强化这一过程的传热具有重要的指导意义。本文以空气和水蒸气混合物在竖直壁面上的凝结传热过程为研究对象,通过理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法,对传热传质机理进行了较深入的研究。首先,对含不凝气体蒸汽凝结形态进行了分析,建立了基于重力、剪切力以及表面张力作用的液滴稳定条件,讨论了冷凝剪切液膜流的非稳定性,并对气相扩散层内的速度场和浓度梯度场进行了协同分析。根据液滴稳定性条件分析表明:含不凝气体蒸汽静止时,竖壁上液滴脱落直径随着前进接触角的增加或后退接触角的减小而增大;含不凝气体蒸汽自上而下冲刷竖壁时,脱落直径随着流速的增加逐渐减小,随着距离壁面上缘距离的增大而增大。可以通过改变接触角、蒸汽流速及距离壁面上缘距离改变凝结液形态及动态行为。基于场协同原理对气相扩散层内速度场和浓度梯度场分析表明:利用凝结液相行为产生的表面法向速度形成速度场与浓度梯度场的最佳协同,从而降低气相扩散层热阻,是强化含不凝气体蒸汽凝结传热过程的关键点。采用组分运输模型和VOF模型,模拟分析了空气质量分数为5%-50%的空气-水蒸气混合物在等温竖直壁面上的凝结传热特性,研究了壁面温度、不凝气体质量分数、蒸汽流速等因素下不凝气体浓度场、速度场及局部凝结表面传热系数的分布规律。数值分析结果发现,近壁面处存在不凝气体浓度突升区域,不凝气体浓度由零升高然后下降到混合蒸汽主体不凝气体质量分数,这与含不凝气体蒸汽凝结传热过程分为液膜层和气相扩散层两部分情况相吻合。近壁面处法向速度随凝结的进行逐渐增大,并趋于定值。法向速度的变化趋势是因为相界面附近水蒸气的持续凝结形成的平流及抽吸效应加剧了法向速度的增大。壁面法向速度对增强对流换热过程有明显作用,法向速度分量随不凝气体质量分数的增大而增大,法向速度的增加对传热过程的促进作用减缓了由于不凝气体质量分数增大引起的传热系数下降。近壁面处切向速度由零迅速增大到接近主流速度,其对凝结传热系数大小影响不大。基于扩散层理论,考虑液膜波动、抽吸效应及混合对流对凝结表面传热系数的影响,建立竖直壁面含不凝气体蒸汽凝结传热通用数学模型,通过计算分析,比较了液膜热阻和气相扩散层凝结传热热阻和对流换热热阻的相对大小,冷凝液膜热阻在整个热阻中的比例随着不凝气体含量的增加而逐渐减小,气相扩散层热阻在凝结传热过程占主要部分。通过引入膜层雷诺数Re’film考虑液膜波动的影响。液膜波动对液膜层对流换热系数的影响比较大。随着wa的增大,考虑液膜波动影响时液膜层表面传热系数hfilm与不考虑其影响时的液膜层表面传热系数h°film之比由1.22逐渐增大到1.53。随着不凝气体质量分数的增加,液膜波动的影响逐渐增强。抽吸效应在不凝气体含量较低时,强化传热效果明显,随不凝气体质量分数的增加,抽吸效应对扩散层总凝结表面传热系数的影响渐弱。通过传质系数和传质驱动力的引入,得到了传质驱动力和浓度差之间的关系,建立了浓度梯度和凝结速率的关系。气相界面抽吸效应加剧了法向速度的增大。由不凝气体浓度差产生的混合蒸汽在主流区与壁面附近的传质驱动力,能够促使液膜附近气体扩散层内对流传质加剧,有利于热量的传递。设计并搭建含不凝气体蒸汽凝结传热可视化实验系统,利用高速摄像仪对含不凝气体蒸汽凝结传热过程进行可视化实验研究。对不同工况下等温竖直铝平板外的空气-水蒸气混合蒸汽凝结形态进行了影像采集,分析凝结形态、液滴生长变化规律,同时还实验研究了各种变工况条件下不凝气体质量分数、壁面过冷度、混合蒸汽压力和流速对凝结传热性能的影响。通过可视化实验发现,含不凝气体蒸汽凝结形态有四种:珠状、珠条状、膜状及溪流状,冷凝液的动态行为能够影响气相扩散层内蒸汽的传热传质过程。实验表明不凝气体含量为5%-10%时,不凝气体含量的增加能够引起传热系数的急剧降低,但当不凝气体含量达30%-50%时,随着不凝气体质量分数的增加传热系数下降速度减缓,与数值分析吻合。在壁面过冷度相同的情况下,凝结表面传热系数随系统压力的增大而增大。壁面过冷度对凝结表面传热系数的影响比较复杂,壁面过冷度的增加意味着传热驱动力的增大,加快了凝结过程发生的进程,因而气相扩散层中不凝气体含量增大,热阻增加,当热阻增加量超过了壁面过冷度增加引起的动力增加量,凝结表面传热系数就会下降,反之传热系数就会增大。凝结表面传热系数随混合蒸汽入口速度的增加而增加,但随不凝气体质量分数的增加,提高蒸汽流速引起的强化传热效应减缓。基于凝结形态与影响含不凝气体蒸汽凝结传热多种因素建立了便于工程应用的竖直壁面含不凝气体蒸汽凝结传热的实验关联式,可以作为含不凝气体蒸汽冷凝换热设备工程设计和开发的重要理论依据。