过冷水中蒸汽淹没射流的直接接触冷凝因具有较高的传热和传质速率而受到密切关注,且广泛应用在余热回收、蒸汽蓄热器、混合式加热器和核反应堆泄压等系统中。本文采用实验研究和数值计算结合的方法对管内流动水中蒸汽淹没射流的直接接触冷凝特性进行了深入研究,主要研究工作如下:搭建了管内流动水中蒸汽淹没射流的可视化实验系统,运用高速摄像系统记录透明实验段内蒸汽淹没射流冷凝现象,结合MATLAB数字化图像处理方法获取了明确的汽液界面,识别了汽羽形状并提取其特征参数,包括穿透长度和界面积。在较宽的流动工况范围(喷嘴出口蒸汽质流密度226-750 kg/(m2·s),二次流入口水温7.5-66.8℃:,水流Re数7000-32215)系统分析了蒸汽射流凝结汽羽形态、射流穿透特性和传热特性。在150个实验工况下总计观察到5种典型的汽羽形状:半球形、锥形、收缩-膨胀-收缩形、椭圆形和发散形,并绘制了以蒸汽质流密度、过冷水温和水流Re数为坐标轴的汽羽形态三维分布图。随着喷嘴出口蒸汽质流密度和过冷水温的升高,汽羽无量纲穿透长度明显增大。然而,当水流Re数增大时,汽羽无量纲穿透长度将会大幅减小。实验测量的无量纲汽羽穿透长度在0.8-4.5之间,基于经典的大空间蒸汽射流无量纲穿透长度的一维模型,考虑水流Re因素并提出流动水中蒸汽射流无量纲穿透长度的一维模型。将喷嘴出口蒸汽质流密度、入口水温和水流量分别无量纲化为无量纲蒸汽质流密度,凝结驱动势和水流Re数,基于这三个无量纲参数拟合140个工况下的实验数据得到无量纲汽羽穿透长度的关联式,预测值和实验值的偏差在±25%范围内。流动水中蒸汽射流的平均传热系数明显高于静止水中蒸汽射流的平均传热系数。随着蒸汽质流密度和过冷水温的增大,平均传热系数呈降低趋势。然而随着水流Re数的增大,平均传热系数不断升高。实验测量的平均传热系数范围为1.6-5.5 MW/(m2·K),拟合140个工况的实验数据得到了平均传热系数和平均Nu数的预测关联式,预测值与实验值的偏差均在±20%范围内。基于欧拉-欧拉两流体模型,采用粒子模型(Particle Model)计算相间传递,其中将热相变模型以表达式语言(CEL)的形式嵌入ANSYS CFX软件计算相间传热和传质速率,建立了基于界面积和相间传热传质的冷凝模型。结合膨胀波和压缩波理论揭示不同汽羽形态的形成机制,分析了相界面结构变化的影响机制。对轴向的总压、水的动压、蒸汽动压和静压分布进行综合分析,揭示了汽羽尾部的总压突跃现象的内在机制。通过分析沿喷嘴轴向的热力学参数分布,发现在较小的蒸汽质流密度下,蒸汽从喷嘴喷出时只发生微弱膨胀,然后在压缩波作用下汽羽流向向内弯曲,形成锥形汽羽。在较高水温条件下,蒸汽从喷嘴喷出后,首先经历压缩过程,压缩波使流向向内弯曲,然后经历微弱膨胀使流向向外弯曲,最后经历一段压缩波使流向向内弯曲,因而汽羽在两个压缩波和一个膨胀波作用下形成收缩-膨胀-收缩形汽羽。在较高蒸汽质流密度和水温条件下,蒸汽从喷嘴喷出时其压力高于环境压力,将进一步膨胀加速,在膨胀波作用下蒸汽流向向外弯曲,当蒸汽膨胀到小于环境压力时发生压缩波,蒸汽流向向内弯曲,先后经历一个膨胀波和一个压缩波使得汽羽呈椭圆形。模拟发现蒸汽从喷嘴喷出后继续膨胀加速,在喷嘴外达到超音速流动,此模拟结果与实验结果一致。基于界面的总体热平衡即蒸汽流入速率和冷凝速率的动态平衡,分析了相界面结构随汽水参数的变化。模拟发现随着蒸汽质流密度和水温升高,使得汽羽穿透长度增加且汽液界面扩张。然而随着水流Re数的增加,使得汽羽穿透长度缩短且汽液界面收缩。随着蒸汽质流密度增加,界面处局部传热系数增大。随着入口水温增大,局部冷凝速率下降。水流Re数对局部冷凝特性影响较大,随着水流Re数增大,局部传热系数增大且局部冷凝速率升高。汽液界面的尺寸变化取决于冷凝速率快慢,并会影响冷凝速率。当冷凝速率升高会导致汽液界面收缩。当冷凝速率降低时,汽液界面向外扩张。结合含气率云图分析蒸汽射流轴线总压分布,发现在汽羽尾部发生压力突跃现象,同时水的动压在此位置也出现压力突跃,因此水的动压突跃是导致汽羽尾部总压突跃的主要因素。通过可视化实验研究了不凝气体对纯蒸汽射流下典型汽羽形态的影响,运用图像处理计算了无量纲汽羽穿透长度和平均传热系数。研究的不凝气体含量在0-1%之间,相比纯蒸汽淹没射流条件,发现在1%的不凝气体含量下无量纲汽羽穿透长度延长16-70%,平均传热系数下降12-50%。建立流动水中含不凝气体的蒸汽淹没射流冷凝的数值模型,通过气相的组分输运方程考虑不凝气体的影响。从汽羽形态、气相中的空气质量分数分布、轴向热力学参数分布、局部传热系数和局部冷凝速率等分析了不凝气体对蒸汽射流冷凝特性的影响。模拟发现当蒸汽中掺有不凝气体时,汽羽穿透长度延长,不凝气体主要分布在界面附近,从传热和传质两个方面形成阻力。分析轴向热力学参数发现当不凝气体含量升高时,喷嘴内膨胀越来越不明显且冷凝速率下降,导致三相混合区内的压力波动幅度降低。由于不凝气体的非凝结特性,其动量衰减较慢,所以在混合区内不凝气含量越高,其对应的流速也就越高。不凝气体使得界面处局部传热系数和局部冷凝速率降低,这是不凝气体导致汽羽延长的主要原因。本文研究管内流动水中蒸汽淹没射流冷凝得到的实验和数值计算结果丰富了直接接触冷凝换热理论,为相关工业设备的设计和优化提供重要依据。