我国工业领域能源消耗以化石燃料为主,对其利用过程中产生的大量气态余热资源进行高效深度回收,将有力助推我国“双碳”战略目标的实现。在气态余热资源深度回收过程中,含大量不凝性气体的含湿气体冷凝换热是面临的关键问题之一。该问题也普遍存在于空气调节、海水淡化、核能被动冷却系统等领域。因此含湿气体冷凝换热特性及其强化一直是工程热物理领域的研究热点,具有重要的学术价值和工程应用价值。三维肋管是一种高效的强化换热元件,但关于含湿气体在三维肋管管外冷凝换热的研究极少。本文采用实验与数值模拟相结合的方法,对含湿空气横掠水平三维肋管管外冷凝换热特性及规律开展研究。首先,以三维肋管管外肋片表面凝结为研究对象,构建了竖直平板表面热质传递模型,通过数值计算揭示了冷凝换热过程中单相对流及相变换热的变化规律及其对湿空气冷凝换热性能的影响机理。其次,实验研究了不同湿空气参数变化时三维肋管的强化换热性能,揭示了肋高、肋宽、肋周向间距和轴向间距等三维肋片结构参数对换热性能的影响规律,获得了优化后的肋结构参数;分析了冷凝液在不同润湿性三维肋管表面的运动特性及其对换热性能影响规律。最后,通过数值模拟分析了湿空气横掠水平三维肋管单管及管束的冷凝换热规律,获得了换热管管束在不同排列方式和不同湿空气参数条件下的流动换热性能及其计算关联式。主要结论如下:（1）建立了竖直平板表面湿空气相变对流换热理论模型。阐明了湿空气冷凝过程中单相对流换热以及水蒸气相变换热的变化规律及其影响冷凝换热性能的机理,获得了不同湿空气温度、流速、水蒸气含量,以及壁面温度等参数条件下的换热特性。结果发现:随着湿空气相对湿度的增加,单相对流换热系数基本保持不变,但相变换热系数明显增大,提高了整体相变对流换热性能,因此相变释放潜热的过程是影响相变对流换热的主要因素;在相对湿度95%,湿空气温度333 K,壁面温度303 K条件下,单相对流换热系数及相变换热系数随流速变化（0.1～16 m/s）的趋势相同,两者比例维持在0.17左右。（2）实验研究了湿空气横掠水平三维肋管管外相变对流换热特性,揭示了湿空气参数和三维肋结构变化对单管换热性能的影响规律。结果表明:在水蒸气摩尔分数为0.05,湿空气温度373 K,流速2.4 m/s时,三维肋管管外相变对流换热系数可达光管的1.7倍。发现肋高对换热性能影响最大,其对相变对流换热系数贡献率达75.7%;轴向肋间距对相变对流换热系数的贡献率随含湿量增加而增加,其中相对湿度为0.6,轴向肋间距在1.5～2.5 mm间变化时,相变对流换热系数先增加后减小,轴向肋间距为2.0 mm时换热性能最优。同时考虑了三维肋管管外相变对流换热中单相对流换热和相变换热的影响,拟合得到相变对流换热经验关系式,理论预测结果与实验结果相对偏差小于±15%。（3）实验研究了三维肋管表面润湿性变化对湿空气相变对流换热特性的影响。结果表明:表面疏水和超疏水处理虽然促成了三维肋管表面滴状凝结,但表面冷凝液滞留时间显著增加,限制了三维肋管相变对流换热性能的进一步提高。实验参数范围内具有亲水性的三维肋管换热性能最优,其管外相变对流换热系数可达亲水性光管的1.94倍。（4）提出了周向肋高变化的新型三维肋管结构形式,利用Eulerian Wall Film Model和Diffusion Balance Model计算得到湿空气横掠其表面的相变对流换热特性,获得了周向变肋高三维肋管表面冷凝速率分布,以及不同湿空气参数下单相对流换热和相变换热占比的变化规律。结果表明:湿空气流速为2.4 m/s时,三维肋管肋片表面冷凝速率高于基管表面;随着三维肋片高度沿周向增加比例的增大,周向变肋高三维肋管有效强化换热面积逐渐增加,其相变对流换热系数均高于均匀肋高三维肋管。当水蒸气摩尔分数从0.05增加到0.15时,以1.2比例增加肋高的三维肋管相对均匀肋高的三维肋管换热量提升可达36%～152%。（5）数值模拟了水平三维肋管管束在不同排列方式及湿空气参数下的相变对流换热特性。结果表明:相比顺排管束,叉排条件下三维肋管管束相较光管管束换热量提升更为明显。此外,随着水蒸气摩尔分数（0.1～0.15）和湿空气流速（1～10m/s）增加,叉排肋管管束相变对流换热系数相对光管管束提高的幅度逐渐减小。基于计算结果,拟合得到湿空气横掠水平三维肋管叉排管束流动换热经验关系式,其中换热预测结果与数值模拟结果之间相对偏差小于±10%,流动摩擦因子相对偏差小于±20%。