甲烷、氮、氧、氢、氦等标准沸点低于123K的工质被称为低温工质,他们发生的冷凝被称为低温冷凝。低温冷凝广泛发生在众多低温系统的传热设备中,如空分系统中的主冷(冷凝蒸发器)、气体液化系统中的冷凝器、低温液体储罐中的再冷凝器等,这些传热设备是深冷温度下工作的任何装置中的一项主要投资。因此,深入研究低温冷凝换热机理对强化设备换热能力和提高设备设计精度是非常重要的。波动层流是低温冷凝器中冷凝液存在的主要流态。但是由于低温冷凝试验环境要求高、低温测量困难等因素,低温冷凝的实验数据仍然缺乏,而且现有的研究结果中有些还多少相互矛盾,导致目前波动层流低温冷凝换热特性和机理还不明确。现阶段波动层流区常温冷凝的研究结论及相关关联式仍是低温换热器设计的主要基础。然而低温流体的粘度、气化潜热、液气密度比、表面张力、接触角等物性参数远小于常温流体,且温度越低差异越大,这些物性差异正是影响冷凝液膜流动及传热特性的主要因素,因此波动层流区常温冷凝的换热关联式在低温下的适用性仍然需要被验证。为了阐明低温冷凝换热机理和获得高精度波动层流区低温冷凝换热关联式,本文主要开展了以下3项工作:1、设计搭建低温冷凝换热可视化测试平台,提出了光-机同向同轴的可视化测量方法。实现了近紊流区域的氮冷凝换热数据测试,验证了 Kutateladze关联式预测波动层流区低温冷凝换热的适用性。光-机同向同轴的可视化测量方法有效避免了已有可视化方法拍摄时存在的光斑与阴影,实现了低温冷凝液液膜波动的可视化,揭示了液膜波动对冷凝换热的强化作用,得到了界面波波速和频率随液膜雷诺数的变化关系。2、提出气液冷凝传质新模型和系数定量化方法,有效改善了气液界面温度的分布计算。降低了传质系数对工质和工况的依赖性,解决了已有传质模型中系数无法定量计算这一长期难题,阐明了传质模型在其系数很小时计算得到的界面温度严重偏离饱和温度,而当系数太大时计算又难以收敛的原因。3、基于本文提出的传质模型和传质系数定量化方法,实现了波动层流区低温冷凝换热模拟,从微观上阐明了波动层流区低温冷凝换热机理。液膜表面波动所导致的液膜间歇性削薄和波内部对流是强化换热的主要因素。液膜的间歇性削薄是液膜波动强化冷凝换热的主要原因,而波内部对流的增强使得波动对冷凝换热的强化作用随着液膜雷诺数增大而越来越明显。这一结论将对冷凝换热强化方法的提出具有重要指导意义。