冷凝作为一种高效相变传热方式被广泛应用于电力、能源、海水淡化、热管理及环境控制等领域,而提高冷凝传热效率一直是学术界重点关注的问题。相较于膜状冷凝模式,滴状冷凝会在冷凝表面形成离散的小液滴,从而有效地减少传热热阻提升传热效率,且研究表明超疏水表面可促进液滴弹跳脱落进一步强化滴状冷凝传热。然而,冷凝液滴润湿状态的转变严重抑制弹跳现象并限制冷凝传热性能的提升,其根源在于对相关冷凝液滴润湿状态转变微观机理的认识仍不充分。对此,本文在金属基纳米阵列可控制备研究的基础上,通过实验和理论分析手段系统地探究表面结构与过冷度对冷凝液滴生长行为及传热性能的影响规律,揭示冷凝液滴润湿状态转变的微观机理,优化表面结构促进高效弹跳冷凝传热。主要研究内容和结果如下:(1)利用液相生长法在不锈钢表面制备ZnO纳米阵列结构,分析制备参数(拉膜次数、热处理温度、种子液浓度、生长液浓度、生长温度、生长时间及DAP浓度)对ZnO纳米结构特征的影响规律。结果表明,增加拉膜次数会提高纳米结构密度;提高热处理温度会使阵列直径增大并破坏均匀性;增加种子液浓度会提高阵列的均匀性和垂直性;生长液浓度适中才形成纳米阵列结构;提高生长温度可减小纳米阵列的直径和间距;生长时间增加的同时不仅会提高纳米阵列的高度,也会导致纳米阵列顶部团聚现象;在合适DAP浓度范围内,提高其浓度能进一步减小纳米结构顶部直径并使之趋近于锥形。(2)测试不同制备参数条件下纳米阵列的疏水性能,并通过湿空气冷凝实验观察不同纳米结构表面冷凝液滴生长行为。结果表明,凡是具有一定间距和长径比的结构其疏水角均在150°以上,展示出良好的超疏水性能。此外,只凭借宏观接触角性能并不能准确预测样品表面液滴润湿状态,其能否发生弹跳及弹跳现象的强弱主要取决于表面纳米结构特征,且具有高长径比和小顶部直径的纳米结构有利于形成Cassie状态液滴实现稳定弹跳冷凝。(3)通过蒸汽冷凝实验探究过冷度对冷凝液滴生长行为及传热性能的影响规律。结果表明,相比光滑疏水表面,纳米结构表面可在0～4 K过冷度范围内提高50%以上的传热性能。随着过冷度的增加,液滴成核尺寸骤降导致成核点位从结构顶部延伸到结构间隙中,进而造成液滴润湿状态的转化形成粘滞液滴抑制传热。提高纳米结构高度能进一步抑制高过冷度下液滴润湿状态的转化。(4)对现有滴状冷凝传热模型进行纳米结构层热阻和脱落尺寸修正,该传热模型在低过冷度范围内与实验结果吻合度较高。通过理论分析方法探究表面结构参数对传热性能的影响规律。结果表明,在Cassie润湿状态下,顶部直径和结构间距主要通过改变固液接触面积影响传热性能,且其对传热性能的影响程度很小。纳米结构高度的增加会增大结构层热阻削弱传热,且随着结构高度的增加影响幅度逐渐减小。纳米结构的热导率增加能提高冷凝传热效率,且随着热导率的增加其影响幅度也逐渐减小。对于不同过冷度需求构造适宜纳米结构高度以实现弹跳冷凝传热。