沸腾是一类伴随有大量气泡生成和气液两相流动的高效相变传热过程，在地面常重力环境热能、核动力、化工等诸多工业过程及空间微重力环境热控、低温流体管理及载人航天环控生保技术等中都有着重要的应用价值或潜力。气液两相介质密度的巨大差异，导致地面常重力环境浮力往往主导着沸腾传热特征。微重力环境中，浮力效应被抑制甚至是完全消失，沸腾现象中气泡动力学行为、气液两相流动与传热特性将与地面常重力环境下截然不同。对微重力沸腾传热特性的研究不足，极大地制约了沸腾现象在航天工程领域的应用。鉴于空间技术与载荷均需在地面研发与测试，空间任务全寿命周期往往经历着不同的重力（或加速度）环境。因此，需要把重力作为可控变量，研究不同重力条件下的沸腾现象，揭示重力对沸腾传热特性的影响机制及其正确表述，支撑航天科技研发需求。另一方面，微重力环境抑制浮力效应，可以扩大气泡生长的时间尺度和空间尺度，有利于更好地观察沸腾过程中的气泡动力学行为和细观流动特征，深入理解沸腾传热机理，具有重要的学术意义。本文基于实践十号返回式科学实验卫星微重力池沸腾实验及中国空间站变重力沸腾实验，对池沸腾传热特性与气泡动力学行为中的重力效应开展系统研究。主要内容和结论如下：

（1）基于SJ-10单气泡沸腾实验装置正交双CCD观测系统特征，开发了基于双目视觉算法的图像分析软件，对空间微重力环境单气泡沸腾实验模式下气泡生长过程进行了定量分析。基于加热面局部温度测点数据，分析了微重力单气泡生长过程中底部温度和热流密度的演化特征，讨论了液体过冷度、基板加热功率对单气泡动力学特性及传热特性的影响。

（2）提出了基于遗传算法的加热固壁热传导反问题求解算法，完善了沸腾传热瞬态热流密度的计算方法，提高了热流密度反演计算的精度。对地面常重力和空间微重力条件下的常规沸腾模式实验数据分析，获得了不同重力条件下池沸腾传热曲线，据此讨论了重力水平、液体过冷度等因素对核态池沸腾传热性能的影响。结果表明，在所采用的平板加热面情形里，微重力条件下在较低热流密度下即可进入核态池沸腾，同时在远小于地面临界热流密度时就会偏离核态沸腾转向过渡沸腾甚至膜态沸腾；常、微重力条件下核态沸腾传热曲线近似落在同一条趋势线上，为揭示传热特性中的重力作用机制提供了新的数据。

（3）对有限尺度加热面上微重力膜态沸腾传热与气相形态的演化特征进行了详细分析，探究了微重力膜态沸腾现象中覆盖加热面的截球状的大蒸汽团内部蒸汽流动特性，针对性地提出了截球状气团蒸发-冷凝传热传质模型，即通过底部的蒸发及顶部与过冷液体接触的气液界面冷凝来维持传热传质，同时，表面张力梯度驱动了气液界面及邻近流体内的Marangoni对流，强化了膜态沸腾对流传热传质的效率。实验数据分析和理论探索揭示了微重力膜态沸腾传热机理，以及液体过冷度、壁面过热度等对微重力膜态沸腾传热的影响。

（4）完成了中国空间站问天实验舱变重力科学实验柜首批两项科学实验项目之一的变重力沸腾实验装置的研制工作，重点开展了温度、压力传感器的标定及实验工质FC-72除气充装和地面科学匹配试验与地面常重力科学实验数据分析等。此外，参与了空间站实验数据的实时分析与判读，对已获得的若干重力水平下的实验数据进行了初步分析，特别是0.38g（火星重力）、0.16g（月球重力）、0.10g及0.063g（低重力）下长时间、稳定的常规池沸腾实验数据，探究了沸腾传热过程中的重力效应，为整个项目后续任务执行奠定了坚实基础，将支撑空间实验目标的顺利实现。