电子器件和空间飞行器的能量密度越来越高,亟需发展高效可靠的冷却方式。另一方面,核聚变能作为新型可再生能源,是解决能源危机的重要途径。其中,实现反应堆高热流表面的高效换热是核聚变能利用中需要解决的关键问题之一。由此可见,不论是电子和空间动力设备的发展,还是新能源的开发利用,实现热量的高效传递与控制均是其中的关键环节,发展高效可靠的冷却方式迫在眉睫。喷雾冷却具有对流换热系数高和冷却均匀性好的优势,在工业上得到了广泛的应用。为揭示喷雾冷却换热的微观机理,本文开展了单个微米液滴撞击固体表面流动和换热的研究,讨论了在更大表面张力作用、更强蒸发作用和更小动量和热量传递时间尺度下液滴的流动和相变换热机理。研究表明,微米液滴撞击固体表面过程中捕获的空气泡为液滴内部气泡生长的汽化核心。进而,耦合分析了液滴的撞击过程和相变过程,基于润滑理论和沸腾成核理论,建立了液滴内部气泡生长过热度与液滴撞击参数间的理论模型。随后研究了氧化锌纳米线和铜规则多孔等微纳米结构表面对微米液滴撞击铺展和相变换热的影响规律。研究表明,在毛细力作用下液滴在氧化锌纳米线结构表面形成了更加明显的前驱膜结构,极大地强化了液滴的蒸发过程;随着表面温度的升高,前驱膜对液滴蒸发的贡献率减小。两种表面均强化了液滴与表面间的换热,并提高了液滴的Leidenfrost温度。超临界压力流体射流冲击冷却避免了喷雾冷却等相变换热中存在CHF的问题,对高热流表面的冷却具有更高的可靠性。因此,紧接着本文开展了亚临界/超临界压力CO2射流冲击冷却的流动可视化与局部和平均换热特性研究,分析了热流密度、质量流量、压力、进口温度和表面微结构等对换热的影响,讨论了超临界压力流体在准临界点附近物性的剧烈变化对换热的影响。研究表明,亚临界压力下,出现了单相对流和沸腾共存的现象,且沸腾出现时无温度过头;超临界压力下,当进口温度低于准临界温度时,表面对流换热系数随热流密度的升高先增大后减小。流动可视化和数值模拟表明,冷却表面附近大比热流体层的出现强化了流体与表面间的换热。对已有关联式进行修正,得到了超临界压力CO2射流冲击冷却的局部和平均对流换热关联式。超临界压力CO2射流冲击冷却不存在CHF,当热流密度高于亚临界压力CO2射流冲击冷却的CHF时,仍具有较高的对流换热系数。表面微肋结构极大地提高了超临界压力CO2射流冲击冷却的对流换热系数。