冷凝是自然界普遍存在的一种相变现象,同时作为一种高效的传热手段广泛应用于多种工业生产中,如集水、火力发电、烟气余热回收和海水淡化等。其中,滴状冷凝相较于膜状冷凝而言,具有更小的热阻和更高的传热速率,因此成为冷凝传热强化的理想方式。而固-液-气之间的相互作用机制决定了冷凝过程中的液滴动态行为,并进一步影响冷凝传热速率。本文结合实验观测、数值模拟和理论分析,从气液界面效应出发,研究了湿空气冷凝过程中毫米尺度V形结构对气相传质过程和凝液微观润湿形态的影响,利用毫米尺度V形结构构建了冷凝过程中的润湿梯度,揭示了毫米尺度结构与冷凝液滴动态行为的固液作用机理;此外,利用固液界面效应,设计制备了仿生梯级湿润性表面,研究了表面结构影响界面现象的内在关联,明晰了抽吸式冷凝的控制因素和调控机理。利用数值模拟方法对毫米尺度V形结构在湿空气冷凝过程中的气相传质过程进行了模拟研究。研究结果表明,引入毫米尺度V形结构可以显著影响水蒸气的扩散过程,进而形成沿结构高度方向的水蒸气浓度梯度和扩散通量梯度。经典核化理论表明,水蒸气浓度对冷凝核化速率、核化尺寸和核化密度具有显著影响。受水蒸气浓度梯度和扩散通量梯度的影响,凝液与表面微纳米结构之间的固液分率从V形结构底部至顶部不断增大,一方面导致沿结构高度方向产生从Cassie态至Wenzel态的微观润湿梯度,另一方面使得沿V形结构高度方向展现出具有优先选择性的冷凝液滴生长和尺寸分布的空间特征。在明晰了具有毫米尺度V形结构的超疏水表面与凝液之间相互作用机制的基础上,首次在开角为30°的毫米尺度V形沟槽阵列超疏水表面（macro-textured groove array,MGA30）上实现了可控的冷凝液滴级联弹跳移除。利用高速显微技术对冷凝液滴级联弹跳进行了可视化研究,研究结果表明,弹跳的小液滴并非通过与其运动路径上的大液滴直接合并而引发液滴级联弹跳,而是小液滴撞击大液滴时的初始动量造成液滴的剧烈振动,显著扩大了振动液滴与周围液滴合并的范围,从而增强了振动液滴与周围尺寸相近液滴的有效合并,并导致了冷凝液滴的级联弹跳移除。建立了描述级联弹跳液滴振动的数学模型,准确地预测了液滴尺寸和小液滴初速度对液滴振荡范围的影响规律。基于冷凝液滴级联弹跳的有效调控,使MGA30的冷凝集水性能相较于常规平超疏水表面（Flat）提高了约60%。对于超疏水表面而言,当过冷度增大时冷凝液滴的淹没问题可导致超疏水性能的失效。实验考察了更高过冷度条件下具有不同V形开角的MGAs在湿空气冷凝过程中的动态特性。实验发现,相对于Flat,MGAs不仅可以增强冷凝大液滴的运动能力,还可以抑制超疏水表面淹没冷凝的发生。为了明晰其作用机制,从V形结构侧面观测了冷凝液滴的动态行为。结果表明,悬浮于V形结构中的冷凝液滴的下弯液面可在Laplace压力的作用下发生由下而上的自驱脱粘附运动,通过这种自驱脱粘附运动减小了大液滴与表面之间的粘附力,实现了 MGAs增强冷凝大液滴运动能力和抑制淹没冷凝的功能,使得液滴在更小的尺寸下以更快的速度脱离冷凝表面,在50.3℃的高过冷度下,MGA30的冷凝集水性能相较于Flat提高了约240%。建立了冷凝液滴自驱脱粘附运动的数学模型,该模型首次考虑了冷凝表面微观润湿梯度对MGAs冷凝液滴脱粘附行为的影响规律。结果表明,V形结构内的微观润湿梯度导致底部凝液与壁面之间具有较小的滞后角,同时V形结构的非对称性使液滴产生向上的Laplace压力,从而驱动冷凝液滴的自发脱粘附运动;V形结构开角在0-120°的范围内,冷凝液滴自驱脱粘附运动的高度阈值随着V形结构开角的增大而线性减小,当V形结构的开角超过120°时,液滴无法发生自驱脱粘附运动。模型计算结果与实验结果吻合良好,为具有毫米尺度V形结构的优化设计提供了依据。此外,受苔藓紫罗兰细胞结构和集水功能的启发,通过表面粗糙度和润湿性的设计,构建了具有微米通孔阵列的梯级湿润性表面（R.purpurascens-inspired porous surface,RIPS）,实现了亲水表面上快速、持续的液滴抽吸式冷凝。RIPS上冷凝液滴合并可分为两个阶段,分别为各向同性合并阶段和各向异性合并阶段。其中,各向异性合并阶段与孔结构对冷凝液滴合并生长的空间限制效应紧密相关。液滴的空间限制效应使液滴空间排布的有序性显著提高、液滴的尺寸得到有效控制,并有效防止冷凝液滴的跨孔合并。孔间距对冷凝液滴生长的空间限制效应具有重要影响,当空间限制效应减弱时更容易造成孔内气塞的形成,进而使冷凝液滴抽吸失效。基于RIPS在液滴核化能力增强、液滴脱离尺寸减小、冷凝表面的更新频率加快等多方面协同作用,传热性能最佳的S75（孔间距为75 μm的RIPS样品）冷凝集水效率相较于光滑疏水表面提高了约160%。