相变与传热一直以来是国际流体物理领域的研究热点，尤其是蒸发界面流动与相变传热互相耦合的气液两相问题，因其在散热、制冷、流体管理等多个领域具有重要的应用价值而被普遍关注，并成为微重力流体物理的前沿课题之一。本文以微重力环境下的液体蒸发对流不稳定性以及空间两相流系统中的基础科学和关键技术研究为背景，依托国家自然科学基金重点项目“微（变）重力环境下复杂界面流体传输特性与流动稳定性研究”和TZ-1货运飞船“两相系统实验平台关键技术研究”空间蒸发冷凝实验项目，以具有蒸发界面的圆柱形浅液层和附壁蒸发液滴为主要研究对象，利用地基实验、空间实验和数值模拟相结合的方法研究了地面常重力和空间微重力条件下，易挥发液体的蒸发界面流动与相变传热特性。

在地基实验研究方面，搭建了液层/液滴蒸发实验系统，利用红外热成像技术、共聚焦测厚技术、热流密度测量技术、CCD相机等实验手段开展了FC-72液层和液滴在不同底板加热温度、液体体积、环境压力、蒸气浓度等条件下蒸发对流与相变传热的地基实验。在处于双向温度梯度下的液层蒸发实验过程中观测到了两种典型的流型：滚波与热液波相耦合的Rolls & HTWs流型（水平温度梯度主导）和多涡胞Marangoni对流流型（垂直温度梯度主导）。探究了不同流型的流动特征、流型转捩的临界条件以及蒸发过程中的热质传输规律，并且发现了Marangoni对流涡胞的波数和液层厚度之间满足的关系。在底部加热的液滴蒸发实验过程中也观测到了两种典型的流型：径向向内流动的热毛细对流和由三相线向中心发展的多涡胞Marangoni对流流型。此外，开展了准静态液层蒸发流动稳定性的实验研究，通过持续注液的方式维持液层高度恒定，从而剥离了液层厚度对流动不稳定性的影响。利用红外热像仪观测到了准静态蒸发液层内流动的3个阶段：首先为Marangoni对流涡胞的形成和分裂阶段，然后是从“源”向“汇”传播的热液波阶段，最后随着液层中心的涡胞逐渐消失，进入了无涡胞的稳定流动阶段。这与自由蒸发液层中的流动情况有所不同，进一步证明了厚度对Marangoni对流多涡胞结构有着重要的影响。

在数值模拟研究方面，基于有限体积法，开发并建立了双向温度梯度下圆柱形蒸发液层的三维数值计算模型，开展了蒸发液层对流与传热的数值模拟研究。模拟结果表明，随着Marangoni数的逐渐增大，液层内的流动将会由二维轴对称流型转捩为完全的三维流动。流型转捩的临界Marangoni数随着表征液层界面换热的Biot数的增大而减小，重力作用在一定程度上稳定了流动。首次指出了蒸发效应对这种流动不稳定性的双重作用：蒸发不仅能促进也能抑制流动失稳，取决于蒸发致冷引起的温度梯度作用的位置。若进一步增大Marangoni数，液层内会出现Marangoni对流的多涡胞结构，其涡胞中心温度低，边缘温度高，在热毛细力的驱动下，涡胞内的流体呈现由涡胞中心向外的流动。同时，发现这种多涡胞结构的演化方式是先在热壁面附近沿径向形成高温环带，然后高温环带被周向分裂为多个独立的小涡胞。此外，液层内部的温度梯度和蒸发致冷效应能明显影响这种多涡胞流型的结构。

最后，配合中国科学院力学研究所TZ-1空间实验项目，分析了部分空间蒸发实验结果。初步结果表明，由于空间微重力环境下浮力效应的缺失，使得对流传热减弱，导致液体平均蒸发速率比同工况下的地基实验减小了近34%；同时，发现了微重力环境下，液层中出现的弯液面会导致Marangoni多涡胞的结构主要发生在液层中心的区域，而地面常重力情况下的涡胞结构则覆盖了整个液层表面。此外，空间微重力环境下蒸发液滴的接触线更容易收缩，使得液滴处在定接触线(CCR)阶段的时长占总蒸发时长的比例，由地基实验的70%减小到45%左右。