薄液膜蒸发换热,具有传热温差小、热流密度高、传热系数高、均温性好、结构简单和动力消耗低等优点,被大量应用在石油、化工、制药、海水淡化、航天等领域。其中,水平管降液膜蒸发技术因具有传热效率高、耐结垢以及可利用低品位余热等优点,广泛应用于大型工业生产中,是解决能源消耗大、排放污染物严重等问题的一种高效换热技术。近年来,随着对于环保和节能要求日益提高,利用低流量、小温差实现高效换热已经越来越受到学者的重视。低喷淋密度下的水平管降液膜蒸发,是一个伴随中液滴与液膜相互作用、相互影响的分区特征显著的复杂的界面演化过程。因此,深入认识降液膜蒸发过程中的液滴和液膜的分区特性以及其对传热特性的影响,对进一步探究降液膜蒸发的低喷淋密度传热控制机理和高效传热强化技术的开发具有十分重要的意义。为此本文聚焦于低喷淋密度下水平管降液膜蒸发全过程,通过理论分析,获得低喷淋密度下影响蒸发传热性能的关键因素;结合力平衡模型建立了水平管降液膜最小喷淋密度理论模型;并通过引入部分润湿表面的液膜厚度计算公式,提出低喷淋密度下利用亲水改造实现蒸发传热性能强化的新方法;利用氧化刻蚀法制备了两种润湿性不同的亲水表面:超亲水与一般亲水表面,观察了不同亲水表面的管间流型,测定了最小喷淋密度,最后通过引入了修正因子获得了与实验结果吻合良好的最小喷淋密度关系式。通过数值模拟,建立了普适的超亲水表面三维模型降液膜模型,实现了间断液滴和连续液液柱的准确再现。着重分析了超亲水表面滴状流和柱状流的铺展特性和涟漪波动特性,揭示了马鞍形液膜和相邻液柱撞击区的“相互作用环”形成原因;考察了喷淋Re数对液膜厚度和铺展速度的影响,发现喷淋Re数对滴状流液膜厚度和铺展特性影响不大,而对柱状流影响显著;探讨了三维液膜的轴向和周向液膜厚度演化规律,结果表明在轴向上柱状流液膜呈波谷-波峰-波谷的分布形式,液膜厚度在中间汇聚区取得极值,在整个圆周角变化范围内,液膜厚度都几乎出现了翻倍现象。利用高精度红热像仪对低喷淋密度下超亲水表面水平管降液膜表面的温度分区和波动特性进行了研究,分析了喷淋密度、初始液膜温度以及加热功率对不同流型表面液膜温度分布的影响。结果表明,超亲水表面滴状流液膜温度呈现周期性分布,分为撞击区和非撞击区,撞击区和非撞击位置并不固定,存在明显变化周期,非撞击区液膜温度基本不变,撞击区液膜温度升温明显,且温升主要发生在铺展液膜达到最大后,撞击区内部存在高温环状结构,其比主体温度高0.3-0.6K左右;柱状流液膜温度呈现均匀分布,在相邻液柱交汇区存在明显的低温区分界线,较主体低0.2K左右;处于中间的过渡流型具有两种温度分布—均匀分布和周期分布共存。换热管表面的温度波动周期随喷淋密度和初始液膜温度的升高降低,波动强度随喷淋密度的升高存在一个显著下降区间,其对应流型从滴状流到滴柱过渡流的转换。结合红外示踪技术和统计学分析研究了超亲水表面低喷淋密度多液滴间的空间传递规律。发现液滴的产生并不是随机的,而是存在一定周期性,同时这种典型的周期性并不出现在全部范围内,只是在少数几个特殊流量才存在,重复单元数目随流量的增加而降低;利用能量最小理论和统计学分析获得了形成液滴周期性出现的原因,并给出了相关预测模型,与实验结果吻合良好,并基于此构建非稳态流动下的液膜厚度分布图。最后设计并搭建了水平管降液膜蒸发口流实验平台,考察了润湿性对水平管降液膜蒸发传热的作用机制,研究了喷淋密度、入量、入口温度和饱和温度等对传热性能的影响。结果表明,在低喷淋密度下超亲水表面传热系数高于亲水表面和光滑铜管,且在较宽的范围内具有良好的耐受性,最大约为光管表面的4倍,从而利用超亲水表面实现低喷淋密度下的传热强化,为新型强化换热表面的设计和开发提供了理论指导和实验基础。