高热流密度容易造成电子器件高温失效,脉动热管(Pulsating Heat Pipe,PHP)因换热的高效性和结构上较强适应性的特点,在高热流密度电子器件散热领域具有巨大的应用潜力。针对脉动热管传热传质热物理过程及机理,分别搭建了脉动热管数值模型和实验研究系统,对影响脉动热管的环路数(单环路、双环路)、管径(1mm、2mm)、水浴加热温度(40~100℃)、工质(水、乙醇、丙酮、R141b、R123、R134a、R290)等因素进行了研究。通过数值模拟和实验研究,分析了工质热物性对脉动热管传热性能的影响。主要研究内容和结论如下:(1)建立了二维管式脉动热管数值模型,研究了回路数、管径、水浴加热温度以及工质对脉动热管启动和稳定运行特性的影响。在启动过程中,管内工质流型经历了汽化核心的形成、气泡的生长、长大、形成气塞和液塞,从而形成塞状流;而在双回路脉动热管的启动过程中则表现为突沸。在稳定运行时,工质在双回路脉动热管内部更容易形成稳定的塞状流。(2)工质管径不同时,脉动热管的启动过程不同。当管径为1mm时,脉动热管启动缓慢,启动过程气泡流行演变清晰;当管径为2mm时,工质会突沸。随着水浴加热温度由40℃升高至100℃,脉动热管启动时间变短,管内工质的流型演变过程为泡状流-块状流(塞状流)-搅拌流。当水浴温度为60℃时,气-液塞分布较为均匀,脉动良好。乙醇和丙酮在稳定运行的脉动热管中,气塞和液塞相界面清晰,且其分布较为均匀,整体换热温差较小。(3)搭建了三维板式脉动热管数值模型,对应用不同工质(水、乙醇、丙酮、R141b、R134a、R290)的脉动热管的启动和稳定运行特性进行了研究。研究结果显示,以水和乙醇为工质时,水浴加热温度在50-80℃时,模拟与实验偏差较小,所得结果可靠性高。启动特性研究表明,在启动状态下,工质的沸点和汽化潜热以及表面张力是脉动热管传热特性的主要影响因素。应用沸点低、汽化潜热小的工质脉动热管更易启动。但随着启动过程的进行,沸点的影响会逐渐弱化,相应地,汽化潜热和表面张力的影响会更加凸显。在稳定运行过程中,表面张力、汽化潜热以及黏度参数是影响脉动热管运行特性的主要因素。(4)基于数值模拟研究结果,综合考虑黏度、表面张力、汽化潜热、导热系数、比热、密度参数对脉动热管传热性能的影响,对热物性进行了无量纲分析,并对各个量纲进行了量级分析,得出了基于无量纲物性的脉动热管换热关联式。(5)设计并搭建了板式脉动热管传热性能实验台,并通过不确定度分析和重复性实验验证了实验系统的准确性。将水、乙醇、HFE-7100、HFE-7200以及FC-40五种工质作为实验对象,通过实验分析了工质沸点和汽化潜热对脉动热管启动时间和启动温度的影响。结果表明,低沸点和汽化潜热工质条件下的脉动热管启动效果更优。但脉动热管的启动性能并不仅是沸点和汽化潜热两个物性参数决定的,导热系数、黏度以及水浴加热温度也是重要的影响因素。