直接接触冷凝换热是指蒸汽与过冷水直接接触并发生冷凝的换热过程,其传热速率远高于传统方式。目前,直接接触式换热在工业上得到了广泛应用,并且在余热回收利用、核电非能动安全系统等领域也具有广阔的前景。在直接接触冷凝换热过程中,空气等不凝结性气体的存在会严重影响换热效果,甚至威胁到换热设备的正常运行。为研究空气等不凝结性气体存在条件下的蒸汽气泡冷凝过程,本文搭建了含空气的蒸汽泡状直接接触冷凝过程的可视化实验台,采用高速摄像和图像处理技术相结合的方式,对大直径含空气的蒸汽气泡冷凝过程进行了实验研究。本文结合图像处理技术的相关要求,分析了材料、设备对可视化实验的影响,并结合图像处理技术对辅助照明装置进行了改进。在此基础上,搭建了含空气的蒸汽气泡与过冷水直接接触冷凝可视化实验装置。使用高速摄像机拍摄冷凝换热过程中气泡图像,获取了不同过冷度下大直径含空气的蒸汽气泡冷凝过程的完整图像。基于Matlab软件,编写了本文所使用的图像处理程序,并通过所编写的图像处理程序对可视化实验结果进行了处理分析。本文对气泡图像进行处理的目的包括视觉效果的提升和气泡相关参数(特征量)的提取。视觉效果提升有利于更好地进行冷凝过程运动特性分析;特征量提取用于气泡冷凝、运动过程的定量分析。本文中编写的图像处理程序主要包含图像的预处理、图像分割、二值化及数据提取三大部分,实现了气泡体积、表面积、中心位置等特征参数的提取。利用所提取的气泡特征参数,对气泡运动和冷凝特性进行了分析总结。在气泡的冷凝运动过程中,含有不凝气体的蒸汽气泡表面出现“褶皱”、“断开”等现象。“褶皱”现象有利于增大气泡与过冷水的接触面积,提高换热速率。“断开”现象中,气泡由一个大的整体变成两个或多个相互接触的小独立部分。冷凝末期出现大量的微小气泡,这些微小气泡表面光滑且大多保持球形等经典形态。微气泡群运动过程中,气泡间会出现碰撞、聚合等现象。冷凝过程中,气泡速度初期“震荡”、中期线性降低、末期大幅变化;气泡形状初期均向球状发展,随着冷凝过程的进行出现发散性偏离。本文气泡中不凝气体的初始体积分数在5%-18%。过冷度对气泡初始冷凝传热系数影响最为明显。低过冷度下,气泡初始冷凝传热系数明显较高且分布范围较大;高过冷度下,气泡初始冷凝传热系数随Re数升高而增大,气泡初始冷凝传热系数较低且分布范围较小。