随着科学技术的发展,在能源、化工和电子等领域有越来越多的设备和零部件需要高效热管理。微通道流动沸腾由于换热性能高、结构紧凑、泵功小等优点是当前最值得进一步研究的高效换热技术之一。在多种主流的微通道流动沸腾强化换热技术中,微纳形貌表面与特殊的微细通道结构设计均具有换热性能好、压降损失低的优点,具有广阔的发展前景,亟需进一步开展深入的研究。本文以过冷流动沸腾的强化换热为目的,以微纳形貌表面与微细通道结构为研究对象,通过实验研究不同微纳形貌表面在不同几何结构微细通道内的强化换热性能。本文研究的微纳形貌表面包括纳米尺度形貌的纳米线表面、微米尺度形貌的微米孔表面和多孔铜表面、微米/纳米复合尺度的微纳复合表面,涉及了不同尺度的多种形貌与不同的表面润湿性,本文研究的微细通道结构包括平直矩形通道、带气泡发生腔的平直矩形通道与阶梯矩形通道。通过设置不同的质量流量、热流密度和入口流体过冷度,分析过冷流动沸腾的换热系数、沸腾曲线、干涸前的最大热流密度、压降波动等参数,并通过高速摄像观测和分析两相流型,探究微纳形貌表面与微细通道结构对于流动沸腾强化换热的机理。本文首先对现阶段微纳形貌表面与微细通道结构的强化换热研究进行了综述,随后对微细通道流动沸腾实验系统做了介绍,并对光滑硅片在矩形通道内的过冷流动沸腾换热系数做了关联式分析,通过实验测量值与关联式计算式的吻合说明了实验系统的可靠性。在对不同高度纳米线表面的实验研究中,发现12μm高度纳米线表面的两相流动沸腾换热性能弱于4μm高度纳米线表面,因为更高的纳米线簇相互缠绕堆叠的尺度导致气泡在汽化核心腔内成核并脱离过程受到阻碍,在换热面进入沸腾状态后增大了近壁面区域的换热热阻。4μm高度纳米线表面形成了“形成拉长气泡——气泡上下游扩张——局部干涸——流体重新润湿”的周期性两相流型。随着热流变大,周期性两相流型中局部干涸占比变大,出现传热恶化现象。而12μm高度纳米线表面的流型发展没有这么迅速,高热流下仍以气泡聚合以及形成受限气泡向下游扩张为主,未形成逆流的拉长气泡,所以没有产生传热恶化现象。对于微米孔表面,在不同质量流量条件下的起始沸腾所需的过热度基本一致,且远低于其他微通道内的常规表面实验结果,疏水性和多孔结构是造成起始沸腾过热度低的主要原因。在低质量流量工况下,随着热流密度的增加,下游位置出现拉长气泡流,拉长气泡内部的薄液膜蒸发过程具有很好的相变换热效果,因此在高热流密度时通道下游的换热系数要优于上游。微米孔表面换热性能要优于光滑铜表面,换热系数最高强化了约36%。由于微米孔表面的壁面过热度更低,所以在实验中可以施加更大的热流密度。针对超疏水类多孔铜表面的成核位点多、换热面积大的优势和气膜难以脱离壁面的劣势,设计了气泡发生腔强制促使沸腾起始点提前,同时能够冲刷换热表面,防止气膜吸附并强制形成拉长气泡流,通过拉长气泡流薄液膜蒸发机制进行高效换热。在多孔铜表面相对光滑铜表面已有强化换热效果的基础上,进一步提升了低质量流量下的换热性能,换热系数在质量流量200 kg/(m~2·s)和300 kg/(m~2·s)时分别最大提升了53.1%和33.2%,但在更大质量流量下换热系数没有提升甚至有所下降。结合了微纳复合表面与阶梯通道的流动沸腾强化换热方法能够有效提升大热流密度下的沸腾换热性能,抑制局部干涸的产生,在低质量流量工况下出现干涸时的热流密度从126 k W/m~2提升到了302 k W/m~2。使用沸腾数可以对不同工况下从冲刷流到搅拌流的转折点做出判断。由于不同流型的换热机制不同,因此局部换热系数与流型具有很强的关联,冲刷流的局部换热较为均匀,而搅拌流的下游换热明显好于上游。