自然界中,云雾的形成是一个典型的水汽异质凝结的过程,水蒸气以大气气溶胶为凝结核,在其表面异质凝结导致气溶胶粒径增长。目前对于解释云雾形成的核化理论,认为凝结核的表面是光滑的颗粒表面,但实际颗粒表面并不均匀,因此探讨水汽在颗粒表面凝结的核化机理是研究云雾形成机制的重要理论基础。除了在大气云物理中的应用,目前在工业除尘技术中,水汽异质凝结促进亚微米级细颗粒长大并脱除已被证明是一项高效又经济的除尘预处理技术,具有重要的应用价值。核化过程是水汽异质凝结的前提和基础,为研究水汽在颗粒表面异质凝结的核化机理,本文搭建了环境扫描电子显微镜（ESEM）可视化平台,实验观察了水汽在不同粒径颗粒表面的异质凝结过程,确定了不同颗粒空间分布下的核化模型。结果表明,当水汽在单个光滑颗粒表面凝结时,只有一个晶胚液滴随机出现在颗粒表面任意位置;当水汽在多个颗粒表面凝结时,晶胚的形成不再是随机的,而是从颗粒之间的交界处开始形成的。ESEM观察到的晶胚形成的过程验证了经典核化理论在光滑不可溶球形颗粒表面的晶胚模型。因颗粒表面性质是影响核化过程的重要因素,本文通过化学修饰的方法制备了表面具有突起结构的粗糙凸球颗粒,采用分形维数表征了颗粒表面的不规则结构。基于ESEM可视化平台实验观察了水汽在光滑颗粒和粗糙颗粒上的异质核化过程,结果表明,当水汽在光滑颗粒表面凝结时,只有一个晶胚会随机出现在颗粒表面的任意位置;而当水汽在粗糙颗粒表面凝结时,形成的晶胚个数不再只有一个,而是随机的个数。同时分析了颗粒表面结构对核化过程的影响规律,结果显示,水汽在粗糙颗粒表面核化时,核化位置位于表面的突起结构处,且核化位置的个数会随着颗粒分形维数的增加而显著增加;而临界过饱和度随分形维数的增加而降低。为研究颗粒成分对核化过程的影响规律,本文选择了典型燃煤颗粒化学成分的Si O2、Fe2O3和Ca SO4颗粒,基于ESEM可视化平台实验研究了水汽在颗粒表面的异质核化过程,结果表明,三种颗粒表面都可以观察到球帽状晶胚液滴的形成,与经典核化理论在光滑不可溶球形颗粒表面的晶胚模型非常符合。所以基于经典成核理论,数值计算了水汽在三种颗粒表面的异质核化特性。结果表明,三种颗粒中,Ca SO4颗粒表面成核所需的临界自由能和临界饱和度最小,成核速率最大,表现出较好的核化能力。为解决水汽在颗粒表面异质凝结时的液滴长大动力学问题,本文基于ESEM可视化平台对液滴凝结长大过程中的时序图像进行数字图像处理,获得了液滴形状、液滴等效直径随时间的演变规律。结果表明,无论蒸汽压力和颗粒粒径不同,液滴的生长速率都随液滴体积的增大而减小。液滴的生长过程可分为前期生长较快的球帽状液滴发展和后期生长较慢的球形液滴发展两个阶段。根据Kulmala分析式数值预测了液滴在单颗粒表面凝结的生长速率并与实验结果进行了对比,发现实验获得的液滴生长速率要高于数值预测结果。同时分析了颗粒粒径、蒸汽压力对液滴长大速率的影响规律,结果发现,颗粒粒径越大,液滴生长越快;样品室蒸汽压力越大,液滴的生长速率也越大。基于Lee提出的凝结增长动力学模型,定义了一个新的相对重要性参数RI,数值计算了蒸汽直接扩散凝结和颗粒表面吸附水扩散凝结这两种凝结机制的相对重要性。结果表明,当颗粒粒径一定时,随着液滴体积的不断增大,RI迅速减小。为解决水汽在悬浮颗粒表面异质凝结时的液滴长大动力学问题,本文基于电动天平（EDB）技术将单个微米级颗粒稳定悬浮在腔内,实验观察了水汽在悬浮颗粒表面异质凝结的动力学过程,结果表明,液滴最终会长大成一个以颗粒为核心的包裹颗粒的核壳结构,这与ESEM获得单颗粒表面的可视化结果完全一致。对比EDB和ESEM中的液滴凝结长大过程,可以发现,无论是EDB还是ESEM,液滴生长速率都会随着液滴体积的增加而减小。同时EDB中的液滴生长速率和液滴最终长大直径都要小于ESEM中的液滴生长速率和最终长大直径,但是EDB获得的实验结果更接近实际气流中单颗粒表面的液滴长大结果。