水在空气中蒸发所涉及的多场耦合下水气热质传递机理研究,是进一步提高蒸发冷却、物料干燥、海水淡化等效能的技术瓶颈背后的核心科学问题。本文针对固壁表面水降膜与空气对流所形成的热质传递物理模型,利用双波长数字全息干涉测得了毗邻水气界面的空气温湿度二维分布,研究并分析了温湿度分布、温湿度边界层厚度、综合热质传递系数等与实验控制变量的关系。本文研制了两种用于光测研究水膜蒸发的实验装置。这些装置主要由结构完全对称的蒸发通道和对比通道组成,一种主要用于观测和比较水平蒸发通道和对比通道间的温湿度场差异,另一种用于观测和比较垂直蒸发通道和对比通道间的温湿度场差异。蒸发通道中,水膜在空气中蒸发,并与空气形成对流;对比通道中,空气外掠被水膜加热的平板,水膜和空气被平板完全隔开。首先通过光学实时全息干涉直接观察,发现水平蒸发通道和对比通道中空气温湿度改变引起的干涉条纹有明显差异,也发现垂直蒸发通道内液膜温度的改变和空气的流动会导致干涉条纹产生明显变化,证实了蒸发及水气参数对所观察区域的温湿度场分布造成的影响是可测的。然后采用双波长数字全息干涉,使用532nm和671nm波长的激光对垂直蒸发通道和对比通道内的空气温湿度场进行全息记录,并从全息图中重建了温湿度场变化引起的两个波长下的相位差。在实验过程中,利用相位差的信息熵分析了各个工况下标准波面和被测波面的稳定性,进而说明实验工况处于稳态,并发现气流不会对无热质传递的标准波面产生附加条纹。以改进的Edlén公式为基础,结合湿空气中水蒸气分压、含湿量和相对湿度之间的关系,推导得出了以空气温度和含湿量为基本参数的Edlén公式,用于反演温湿度场。针对两个波长下的相位差,建立了关于温湿度分布的方程组。比较方程组的线性求解和分部式求解两种方法的求解误差后,选用线性方法求解温度分布,分部式方法求解湿度分布,同时借助粒子群优化算法降低系统测量误差。最终反演得到实验视场内的温湿度二维分布。为建立温湿度场分布和实验参数的联系,对温湿度场进行了二维拟合和关联拟合,得到了二维拟合因子、二维拟合权重、关联拟合因子和关联拟合权重,达到了在实验范围内给定实验参数,即可得出温湿度二维分布的目的。从关联拟合因子和关联拟合权重的大小关系来看,对温湿度场影响最大的三个因素分别为:水膜进口温度、空气进口湿度和空气进口温度,即系统的逼近度是影响水膜蒸发的最主要因素。在温湿度二维拟合和关联拟合结果的基础上,本文对蒸发通道和对比通道内的温湿度边界层厚度和综合热质传递系数进行了分析并计算了实验装置的冷却数与散质系数。在实验工况范围内,温湿度的边界层厚度大约为1.5mm～4mm。在边界层内,温度与湿度具有较大的分布梯度。在进口逼近度较大的情况下,温度边界层厚度基本不随进口逼近度和风速的变化而变化。在风速较大的情况下,湿度边界层厚度基本不随进口逼近度和风速的变化而变化。比较蒸发通道和对比通道,蒸发通道内的温湿度边界层厚度随水膜流动方向变化波动更小。当进口逼近度和风速逐渐增大时,综合热质传递系数随之增加,且与进口逼近度呈线性关系。从冷却数和基于蒸发面积的散质系数的计算来看,气水比是一个重要的参数。在设计不同类型的蒸发冷却设备时,都要保证其处于优选区间,这样才能获得较高的冷却数,提高设备的运行效率。