随着微加工工艺的发展,电子芯片的集成度越来越高,设备的热流密度急剧增大,产生的高热通量会对电子设备的性能稳定性和寿命产生极为不利的影响。传统的散热方式例如空冷、风冷等,不再能继续满足如此大的热通量去除需求。微纳米尺度通道结构由于其更高的比表面积允许更有效地移除高热通量,另一方面,微通道沸腾换热时发生相变过程,工质从液态转变为气态时吸收大量的汽化潜热,是一种高效的散热方式。在常见的微通道结构流动沸腾换热过程中,液体工质在相对较高的壁面过热度下处于高过热的亚稳定状态,一旦核化穴处发生气泡核化,小气泡便迅速生长充满整个微通道的流动界面,过热的亚稳态液体内储存的能量通过有限的气液界面进行集中且快速地释放,导致气液界面迅速膨胀,使得通道内流量、压降、温度等产生大幅脉动,气液界面甚至会倒流到微通道入口的储液槽,同时产生热应力,会一定程度造成芯片的热疲劳损耗,对微通道换热器的稳定运行有不利影响。为了改善这一问题,本文针对微通道流动沸腾提出两种对汽液两相流进行汽液相分布调控来强化流动沸腾换热的新思路,构建了基于汽液多相流体交错分割以及汽液分相的两类新型微通道强化沸腾换热结构。对比研究了交错分割式微通道结构、分相式微通道结构和普通并联微通道的沸腾换热特性,同时结合高速可视化图像分析,研究了分割式微通道结构和分相式微通道内流型变化规律,揭示了两类结构调控相分布以及强化流动沸腾换热的机理。对于分割式微通道,工质进入微通道受热产生汽液相变,在流动过程中通过微通道阵列多次交错分割,能同时实现五类强化传热模式:(1)气相分割使得气泡在其总体积不变但表面积增加,从而增加了气液潜热交换面积强化潜热传热;(2)气相分割使得气泡数量增加,从而增加了气泡扰流区域,增强气泡周围的微对流传热;(3)液相的边界层脱离和再发展强化对流显热传热;(4)气相的分割延缓了大气泡聚合成蒸汽膜覆盖通道导致的传热恶化,提高了临界热流密度;(5)液相的周期性分割可使近壁区热边界层周期性的脱离和重新在发展,由于热边界层的热阻较大,周期性破坏边界层可显著减小近壁区换热热阻,提高对流显热交换。对于分相式微通道,当通道内未发生相变时,由于横向渐扩结构以及两侧的通道较宽,最外侧的两个通道流动阻力较小,其流量大于中间区域通道;当上游发生相变时,开始产生的微小气泡一小部分进入中心区域的窄通道内,大部分则向通道两侧的宽通道内扩散。上游微通道流出的气泡大部分通过渐扩区域流向了流动阻力较小的两侧通道,此时下游微通道在一定程度上起到了气泡过滤器的作用,实现了气泡主要在两侧流动,中间区域的通道入口大部分是液相,这种汽液分相流动抑制了通道内汽液混合流动时由于界面迅速膨胀导致的不稳定性。随着截面平均含气率的增大,两侧通道内较多的蒸汽聚集,产生了气体堵塞效应。两侧通道内汽液界面在横向渐扩结构内向中心区域通道膨胀,由于蒸汽压克服了汽液界面进入下游中心区域通道的界面张力,蒸汽开始进入下游通道,并在通道内形成了拉伸的弹状流(类环状流),这种类环状流的薄液膜蒸发模式极大地强化了传热。研究发现,分相式通道的强化换热效果最好,分割式通道次之,普通并联微通道的换热效果相对最差。在三种不同表面结构微通道中,整体的压降分割式通道最高,普通并联微通道次之,分相式通道最小。采用强化换热综合评价因子来比较,发现质量流速在G=1.5g/s,功率密度q=320kW/m2的情况下,以普通并联式通道为基准,分割式微通道的强化换热综合评价因子达到最大值1.17,分相式通道的强化换热综合评价因子达到最大值1.93。