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液滴在热壁面上的蒸发与沸腾相变具有极高的热流密度，广泛应用于诸如空间站热控制系统、核反应堆安全、灭火、涡轮机叶片冷却、热金属铸模表面冷却、低温热泵冷却、微电子冷却等，同时单个液滴在热表面上的沸腾现象与池沸腾及流动沸腾显著不同，液滴内部气泡核化及生长动力学的研究对深入认识沸腾现象的多样性和进一步完善沸腾理论具有积极的推动作用，具有重要的学术价值。本文针对单个液滴在水平壁面上的蒸发与沸腾现象开展实验和数值研究，具体开展了以下几方面工作：
通过可视化的实验手段观测了热壁面上沸腾液滴内部的相变行为。随热壁面温度的增加，液滴相变依次经历膜蒸发区、核态沸腾区、过渡沸腾区和球态化区。膜蒸发区液滴几何形态演化可分为两个阶段，第一阶段中，液滴湿润半径基本维持恒定，接触角连续降低，直到接触角降低到后退角时进入第二阶段，第二阶段中，接触角维持后退角不变，而湿润半径迅速减小，直至液滴蒸干。在沸腾区，由于液滴球冠形的几何形状，沿液滴高度、径向和自由表面方向均存在温度和热流的非均匀性，导致内部气泡动力学行为非常特殊。核态沸腾区液滴内部气泡无法脱离加热壁面，在液滴底部相互竞争并挤压接触线，使液滴铺展面积增大，强化换热。过渡态沸腾区液滴内部气泡行为呈现周期特性，不同壁温时存在受限、单气泡和亚稳态三种周期相变。本文通过分段拟合液滴蒸发沸腾时的平均热流密度，得到了液滴相变的“沸腾曲线”，各相变区的换热能力与液滴内部特殊的气泡动力学行为密切相关，本文对液滴内部特殊气泡动力学行为的观测和分析，可为探析核态沸腾和过渡沸腾的微观机理提供了基础实验。实验中还探讨了壁面材质、表面状况、液滴工质种类等因素对液滴沸腾行为的影响。
建立了液滴蒸发的数学模型，不同于以往的纯导热模型，本文模型考虑了液滴内部流动对其相变与传热的影响。液滴蒸发过程中流体受到浮升力、表面力和粘性阻力作用，本文引入无量纲准则数Gr、Ma表征浮升力和表面力的强度。当Gr>2400时，浮升力不可忽略，其将诱发液滴内部出现顺时针涡流。当Ma＞80，表面力不可忽略，其将诱发液滴内部出现逆时针涡流。两种涡流流动的竞争取决于无量纲准则数Bo。本文计算表明，在液滴蒸发各个时段，内部流动呈现出不同特性，当液滴高度减小到某一临界值后，内部出现贝纳德细胞流(B(e)nard Cell)，在大多数情况下，由于Bo数较小，表面力远大于浮升力，液滴内部流动主要表现为表面力控制的Marangoni对流。本文计算还表明，固体壁面热物性及流体热物性均对对液滴内部流动有重要影响。