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作为蒸汽冷凝过程开端,不同能量和结构表面上的非均相成核过程对于初始液滴形成速率、团簇和微小液滴尺寸分布以及液滴润湿模式等具有重要影响,同时也在气象调控、防雾表面以及冷凝传热等领域存在广泛应用。对于冷凝成核过程而言,团簇和初始液滴尺寸通常处于纳米量级,为成核过程微观机制的研究带来较大困难,同时也对实验测试手段、数值模拟技术和理论模型分析的应用与改进提出更高要求。本文借助反射光谱分析方法、分子动力学模拟以及瞬态团簇尺寸分布模型和非均相成核速率模型的引入与改进,进一步证实了蒸汽分子经由团簇形成初始液滴的成核微观过程,揭示了界面能量和结构效应对团簇生长速率、核化位点空间分布以及初始液滴润湿形态等的影响,并在此基础上获得通过微观结构实现液滴润湿模式调控和液滴输运的作用机制。针对冷凝过程初始液滴形成机制问题,利用反射光谱分析方法,对比理论计算结果与实验中冷凝壁面反射光谱数据,进一步证实了初始液滴在固定位点团簇成核的物理机制。对于蒸汽与壁面刚发生接触的初始冷凝阶段,以及冷凝过程中液滴脱落瞬间空白表面更新阶段,壁面反射率可在空白表面和完整液膜覆盖表面所对应的反射率之间维持一段时间。结果显示纯蒸汽冷凝时液滴形成过程没有经历薄液膜破裂阶段,而是以壁面随机核化位点上的团簇成核形式出现。基于不同固液作用强度和壁面独立控温策略,进行了非均相成核过程的分子动力学模拟(Molecular Dynamics Simulation, MD),对比了蒸汽分子在不同能量表面上聚集形成团簇的成核过程,并探讨表面能量分布对团簇生长速率和核化点空间分布的影响。纳米级团簇在不同能量表面上铺展后即可形成特定接触角,该接触角随固液作用强度增加而线性减小。成核过程受表面能量影响非常明显,较强固液作用强度利于蒸汽分子和壁面之间能量交换以及团簇稳定存在,团簇生长速率因此随固液作用强度增强而增强。团簇优先在壁面高能点附近形成和生长,高能点的束缚作用导致团簇不再随机迁移,因此可以成为有效的固定核化位点。通过改变壁面能量分布,如亲疏水分割表面以及含高能颗粒的混合表面,可以对成核位点空间分布和核化点密度进行调控。将瞬态团簇尺寸分布模型引入蒸汽核化体系,分析了成核过程中团簇及微小液滴尺寸分布(Cluster Size Distribution, CSD)的演化规律。研究结果表明,成核过程中CSD迅速从单调递减式分布向单峰分布转变,并呈现近似正态分布特征。随着成核过程持续进行,CSD峰值向更大尺寸方向迁移,同时CSD图像覆盖尺寸范围变宽,峰值降低。模型预测结果与文献报道的微液滴演化趋势相同,证明较大尺寸液滴分布特征是核化阶段团簇及微液滴尺寸分布特征进一步演化的结果。在团簇成核模型基础上进一步引入界面结构参数,建立了包含界面结构效应的成核速率模型,研究了界面结构对成核速率和初始液滴润湿模式的影响。同时通过相应的初始冷凝实验和纳米阵列结构表面上的MD模拟对模型分析结果进行验证支持。沟穴和沟槽结构可有效降低液滴形成过程所需克服的Gibbs自由能垒,利于快速成核。当沟穴或沟槽结构的特征截面夹角β进一步减小时,液滴在结构内部的稳定润湿模式发生明显转变。对于结构参数满足β<(2θ-π的表面,初始液滴在形成初期就有可能以Cassie模式存在。粗糙结构表面上的冷凝实验结果表明,液滴倾向于在壁面随机分布的沟穴或沟槽位置富集,微观结构改变了初始液滴的空间分布。微纳阵列结构表面上的冷凝实验结果显示,液滴合并过程中可以迅速聚集成球,并有可能因为合并过程释放出的过剩界面自由能而发生明显位移。研究结果为利于核化和液滴动态迁移的结构表面设计提供了理论基础和设计准则。利用局部接触线平衡和界面自由能模型分析提出液滴驻留模式和结构参数之间的判据,并通过可视化研究和分子动力学模拟,提出了利用界面张力和几何结构共同作用驱动液滴定向迁移的毛细力调控机制。液滴驻留状态由壁面接触角和沟槽截面夹角共同决定,其中浸润模式和悬靠模式的临界点为β=(2θ-π)。实验发现,对于具备超疏水特征的V型沟槽,可以通过改变结构参数和液滴体积实现液滴驻留模式的动态转变以及液滴自发迁移。液滴动态迁移过程中上下弯液面的移动存在明显的先后顺序。驱动液滴驻留模式转变和动态迁移的推动力在于弯液面形变所产生的的毛细力,而下部弯液面移动则由上部弯液面动态移动所诱发的弯液面瞬间变化所导致。与之相关的实验现象和物理机制可以作为毛细力驱动器(Capillary actuator)应用于初始液滴润湿模式和微系统中的液滴调控等领域。