微尺度两相系统存在动、静力学不稳定性,传热依赖运行参数,两相输运阻力大,传热强化困难等问题。原因在于微尺度下通道3D效应减弱导致两相界面相对滞止,流体传质受阻,两相分布与界面行为无法形成稳定、高效的热质传递机制。本文分别针对流动沸腾和流动冷凝过程,提出“微尺度流型调控”思想:根据微尺度下流体表面张力主导特征,构造分相式多孔壁微通道,利用固体微结构调控汽-液界面行为,获得稳定、高效的热质传递性能。论文主要章节均围绕“微尺度流型调控”思想展开,内容概括如下:第二章主要解决微通道的动力学不稳定性问题。提出梯级多孔壁微通道蒸发器概念,利用表面能梯度调控界面行为。由于多孔壁允许压力随时随地在相邻通道之间交换,汽泡核化、生长引起的超压得到及时释放,打开流体通路,消除汽泡堵塞现象。提出“汽泡充满比”新定义,汽泡充满比率随时间呈现正弦函数变化规律,同时相邻通道之间充满比具有异相特性。发现界面“眨眼”振荡新流型,证明了其实质上是在通道宽度方向上传播的密度波振荡。由于多孔壁宽度远小于通道长度,界面“眨眼”频率比轴向传播的密度波振荡高10-100倍。利用“集总参数模型”建立了“眨眼”振荡与壁温之间的联系。壁温振荡幅度与“眨眼”频率成反比,即高频的界面震荡导致了超稳定的运行壁温。梯级多孔壁微通道开辟了一种消除热交换器和热能系统流动不稳定性的新方法。第三章主要解决微尺度沸腾两相流静力学不稳定和传热系数易受干扰的问题。通过梯级多孔壁微通道蒸发器揭示了一种新的传热机制:光通道中对流蒸发机理与多孔壁中核态传热机理相互竞争,表现为整体两相传热系数既不随热流密度变化,也不随通道质量流速变化。这是因为热流密度和(或)质量流速改变时,两种传热机理中的一种被加强而另一种被减弱,导致了稳定的传热系数。该混合传热机理不同于以往任何关于微通道沸腾传热机理的报道,其物理本质是梯级多孔壁通道特有的“热驱动效应”导致工质流量在针肋区和光通道的再分配。流量在通道内部再分配促使蒸发器压降不依赖于入口质量流速。不随工况运行参数改变的传热系数和对质量流速不敏感的压降特性确保了灵活的运行参数选择。只要不发生干涸,相分离蒸发器就可以在很小的质量流速下运行。此外,蒸发器运行时参数的意外扰动不会对传热造成影响,利于换热系统的运行与管理。第四章主要解决微尺度冷凝两相流阻力大,低干度时传热性能恶化的问题。提出了两个分相式硅基微冷凝器,针肋柱阵列在芯片宽度方向上交替地形成液体通道和蒸汽通道。指出气-液界面推进两针肋喉部位置时降低的吉布斯自由能是引起液体从蒸汽通道进入液体通道的原因。基于能量耗散模型,揭示了分相式微冷凝器实现两相流减阻的机理:由于小液滴不断合并成为连续相,导致两相界面面积减小,两相流系统的内摩擦耗散减小。设计、加工了三个微型冷凝器:实心壁微通道冷凝器(SWM),平行和相分离冷凝器(具有恒定横截面流体通道的PPS)和锥形相分离冷凝器(具有变横截面流体通道的CPS)。实验结果显示,与实心壁冷凝器相比,相分离冷凝器在相同的压降下质量流量增加了 15%。PPS冷凝器在中等或较小的冷却强度下增强热传递,但在大冷却强度下恶化热传递,这是由于大量冷凝液从液通道膨胀而出,溢过所有的针肋侧壁阻碍传热。CPS冷凝器的变截面汽-液通道适应两相流速的变化,汽通道压力得以保持较高水平从而将液体锁定在液通道,消除液体过度膨胀现象,面向蒸汽通道的针肋换热侧壁始终被薄液膜覆盖。CPS冷凝器可在所有工况、所有位置处实现传热增强,冷凝传热系数最大提高74%的同时降低两相阻力。CPS冷凝器在三个冷凝器中具有最佳性能,其结构不涉及纳米因而非常稳定。