直接空冷火电机组的凝汽器,由上万根外形与功能特性相同的单排翅片管组成,蒸汽进入翅片管后凝结成水,机组的卡诺循环在管内封闭。由于翅片管的工作流体在管内外交叉流动,蒸汽与空气之间的传热经过多个耦合面,管内两相流动有相变相随,管外布满上千个蛇形空冷翅片,翅片管的热力计算非常复杂；对于逆流管来说,管内还会出现液泛、液膜爬坡与液滴夹带等瞬变现象。围绕单排翅片管传热传质过程中出现的以上热动力学特性,在数学模型与数值计算的研究上,本文做了以下工作。考虑大扁管的几何外形与翅片管的安装倾斜角,利用Nusselt凝结假设,在三维坐标系下,建立管内液膜的控制方程,基于气-液交界面上的质量与热量的平衡,推导出液膜厚度偏微分方程组,给出方程组中各方程的边界条件,由此建立了蒸汽凝结的数学模型。在模型的数值计算中,设计迭代算法估算大扁管的壁温。将凝结模型与壁温算法应用到实际物理对象,对比蒸汽凝结率数值解与它的设计标称值,验证模型与算法的有效性。提出一种新的计算全尺寸翅片管热力性能的数值算法,将其命名为十字交叉算法。算法在横向上,将蒸汽侧至空气侧的3个耦合换热面解耦,异步计算管内外双侧的换热,在异步计算中,蒸汽凝结模型包含气-液交界面剪切力。算法在纵向上,基于管内流体流动的连续性,将全尺寸管分解成282个可重复调用的计算模块,在模块之间,管内气-液控制方程的边界条件相互关联。将算法应用到实际物理对象,对比换热性能指标的数值解与它们的实验值,验证模型与算法的有效性。得到了管内外流场,发现空气在大扁管尾部的速度死区会恶化翅片管换热,而交界面剪切力会对管内蒸汽的凝结与液膜的流动造成影响。利用多相流理论中的VOF方法,建立顺流管与逆流管内气液两相流的控制方程；用扩散层模型建立逆流管内空气-蒸汽组分的输运方程。将模型与计算应用到实际物理对象,顺流管的计算准确地捕捉到下半圆内的液膜汇流,得到气-液两相的速度边界层。逆流管的计算得到了组分的浓度标量场,由此分析NCG影响蒸汽凝结的机理。逆流管的计算还捕捉到液泛、液膜爬坡以及液滴夹带等逆流管内特有的动力学特性,并分析这些特性当时的气-液两相速度分布。将顺流管内两相流型归类为降落膜状流,将逆流管管壁上的液膜流动定性为溪状流。