随着制造技术的飞速发展,成千上万个电路被集成到一个芯片中,导致芯片热量的急剧增加,亟需有效的冷却方式来维持芯片的正常运行。微通道换热器以有限体积可提供较大换热面积,被优先选择用于电子设备散热,可有效提高换热速率并延长设备使用寿命。为了满足超高散热量的需求,设计了几种新型微通道换热器表面结构。换热能力的提升通常伴随着流动阻力的增加,因此,精确了解影响微通道换热性能优劣和流动阻力大小的因素非常重要。一些研究报道了具有粗糙元素的微通道可提高传热性能。然而,关于粗糙表面对微通道详细流动特性影响的研究较少,这是应用于实际的先决条件。本文的重点是对具有不同形状和分布表面粗糙、热工水力和尺寸参数的微通道进行数值计算和分析研究。收缩流参数方法可用于解释粗糙度对微通道流动和传热特性的影响。文献中的实验数据表明,原收缩模型可以预测偏差在15%内的流动特性,这在本研究中也得到了证实。首先,研究了光滑低形状因子（高宽比α=0.012-0.12）微通道的流动和传热特性。通过层流理论可以准确预测所研究微通道的摩擦阻力系数,在雷诺数Re=400时,α=0.02微通道的努塞尔数Nuu几乎比α=0.12时高12%。开发了新的Nu关系式,以便更好地估算微通道中工作流体为空气和水的对流换热系数。其次,分析了尖角表面粗糙（SRP（surface roughness peaks）,三角粗糙）对粗糙微通道层流和传热性能的影响。研究了矩形通道中通道高度、SRP高度、间距和宽度、对齐和偏移SRP以及混合SRP变化对微通道传热和流动特性的影响。最优传热性能取决于通道尺寸和粗糙高度的最佳组合。此外,增加SRP间距对传热性能的影响较小,粗糙度宽度的增加提高了性能指数（η）。混合SRP比定值SRP（r（粗糙高度）=30 μm,r=15 μm）（在收缩流雷诺数Rec≤300）更有效,这主要是由于较低的fc（收缩流摩擦系数）;然而,在Rec=400,最大值（η）出现于r=15μm;并且η总是随着Rec的增加而增加。对齐的尖角粗糙比偏移排列更有效,在所研究条件下η值平均上升9%。不同参数的相对粗糙度可在不影响紧凑的情况下根据实际情况进行配置。第三,对矩形表面粗糙微通道进行了数值分析,分析了层流的热力性能。比较了在不同热边界和粗糙配置条件下,收缩雷诺数（Rec）为50至250的工质分别为空气和水的流动和传热性能。结果表明,水的fc和Nuc均略高于空气。空气的η随Rec的增加而增加,但水的趋势相反,它们之间的平均偏差为11%。一个粗糙热边界的对流传热比两个热边界低近40%,而fc几乎保持不变。具有规则表面粗糙（恒定粗糙高度）的通道在Rec=200时的η值比具有混合表面粗糙度的通道高出约14%。传热性能的差异是加热表面积和流动混合的综合效应。第四,通过数值模拟研究了正弦表面粗糙存在下,形状因子αc对微通道流动和传热性能的影响。其中,通道高度、绝对粗糙高度和收缩通道直径分别为250μm,30 μm和366至374 μm。对流传热系数和综合热性能系数都随着Rec的增加而提高,且所有η值都高于1。由于fc的值较低,对于αc=0.038（Rec=250）的通道,η的最大值高达1.6。在Rec=250时,αc=0.038的通道η平均上升幅度比其他值（αc=0.021,αc=0.015）高达 6%。第五,利用随机表面粗糙对三维微通道的热水力特性进行了研究。表面粗糙微通道的特性与表面粗糙度（ε）、通道直径和Rec有关。为了更好地预测结果,我们建立了fc和Nuc的关联式,而表面粗糙的密度对流动和换热特性的影响较小。平均粗糙高度（ravg）的收缩流动模型预测的摩擦阻力系数比rmax更接近基于实验的关联式。基于ravg微通道的fc亦可用层流理论予以解释。Nuc随微通道进口温度的增加而上升。在所讨论的范围2.2%≤ε≤9%,Rec≤250中,当ε≤5%,Rec ≤100时,η小于1;而其余情况则η大于1。通过考虑一种常见情况（Dc（缩径）=374 μm,rmax（最大粗糙高度）=30 μm）对所有表面粗糙形状（尖角-SRP,矩形,正弦和隨机）的性能进行比较。发现具有尖角表面粗糙和正弦表面粗糙的通道的整体性能高于其他粗糙通道。在Rec=50时具有尖角表面粗糙的通道η最大值为1.07,而在Rec=250时,正弦表面粗糙度的最大值为1.28（η）。在所考虑的参数范围内,它们之间的η之差不超过10%（50≤Rec ≤250）。最后,表面粗糙对微通道层流的影响不可忽视。表面粗糙的存在可能对整体热工水力性能产生积极影响,并使冷却性能得到改善。还值得一提的是,相对粗糙度不能成为微通道性能识别和预测的唯一标准,其性能还与通道直径有关,因此用于精确预测的关联式的研究不可或缺。根据本研究和文献综述,在粗糙微通道的层流范围内对流传热（Nusselt数）的预测需要合适的关联式。因此,针对所考虑的参数范围,开发了精确的关联式。这些发现显著拓展了与微通道设计相关的现有文献的知识。本论文对电子设备等微通道换热器的设计和性能优化具有指导意义。