为了满足在大功率激光、航空航天、大型计算机等各类大功率发热元件的散热需求，池沸腾、微槽冷却等不同相变冷却技术被学者研究并应用于实际，其中喷雾相变冷却技术由于换热能力出众、工质使用量少和使用空间紧凑等特点，得到了国内外的广泛研究，已有实验表明用水为工质进行喷雾相变冷却，能获得高达1000W/cm~2热流密度的冷却能力，但是在常压下其换热面温度已超过100℃，使其在实际应用中受到局限。为了在高热流密度下使得喷雾冷却能够满足实际应用的需求，本文采用压力双喷嘴来雾化冷却工质液氨，并采用加热棒作为模拟热源，研究了喷雾相变冷却的传热特性；在此基础上，通过对换热面表面性状的改变，进一步强化喷雾相变的传热能力。通过可视化实验研究，分析了压力、流量、表面性状等因素对传热特性的影响规律，本文在探析喷雾相变传热机理的基础上，研究了微槽扩展表面、多孔表面和复合型表面等的传热特性和强化机理，为最终的实际运用奠定实验基础。本文首先对光滑表面进行喷雾冷却实验研究，分析了其传热特点和发生机理，并作为后续各类强化表面传热性能的对比表面。研究了具有微槽结构强化表面喷雾冷却的传热特性，实验研究了不同尺寸槽间距和槽高以及流量、压力等因素对微槽传热性能的影响。并对具有高温烧结的多孔表面进行氨喷雾冷却实验研究，分析了不同烧结粒径和流量的变化对多孔表面换热影响。此外，对光滑表面进行电化学腐蚀，通过调节电压的大小，在其表面上产生不同程度的腐蚀度，研究了电化学腐蚀表面的喷雾冷却传热特性。进一步研究了亲、憎水表面对喷雾相变冷却传热性能的影响。最后，在微槽表面上烧结厚度较薄的多孔层，研究了复合型表面下的喷雾相变冷却的传热特性，分析了工质在不同饱和压力下、不同孔隙率以及流量等因素对喷雾相变传热特性的影响规律。通过对各类强化表面的氨喷雾相变冷却实验研究，得到以下结论：①当保持其他参数不变时，随着槽间距尺寸增加，微槽的槽道数量增加，Bo数增加，表面张力的影响增加，实验发现，当槽间距减小到0.5mm，在热流密度为310W/cm~2，流量为11.4kg/h的时候，换热系数达87570W/(m~2·K)，相对于光滑表面的换热系数65205W/(m~2·K)增加了34%；槽高尺寸增加，微槽对液膜影响加剧，液膜减薄，换热能力增加，但槽高増加的同时带来肋顶与低端的温差加剧，导热热阻增加，对于流量为11.4kg/h时候，槽高为1mm微槽表面表现最佳。②具有多孔微结构的表面不但能有效的增加表面积，而且合适的微孔能为核态沸腾创造条件，在流量为11.4kg/h（0.0155m~3/(m~2s)），热流密度为310W/cm~2的时候，换热系数为124159W/(m~2·K)，相对于光滑表面增加了90%；随着烧结粒径的减小，毛细作用力增强，汽化核心数的增加和毛细力的共同作用使得沸腾起始点提前，有效降低了沸腾的过热度；随着流量的增加，在相同过热度下可以达到更高的热流密度，当流量增加到13.4kg/h（0.0181m~3/(m~2s)）时，换热系数最高达到147503W/(m~2·K)。③采用电化学腐蚀的表面，随着腐蚀程度的加剧，能产生不同数量的微米级潜在汽化核心，对于高度腐蚀表面在热流密度为310W/cm~2，流量为11.4kg/h时候，换热系数为79290W/(m~2·K)，相对光滑表面增加了22%；在热流密度为310W/cm~2，腐蚀最高的表面相对腐蚀最低的表面，换热系数增加了18%。④具有多孔层的微槽表面（双重强化表面）不仅增加了换热面积，也使得潜在的汽化核心数显著增加，使换热效率大大提高，当流量在11.4kg/h，热流密度为310W/cm~2时候，换热系数达137772W/(m~2·K)，相对于光滑表面增加了111%；通过适当的增加孔隙率能增加多孔层中的空隙空间，减小了多孔层内部的流动阻力，有利于使得受热产生的气泡更快的逸出，有利于核态沸腾的持续、稳定的进行，在热流密度为340W/cm~2，流量为11.4kg/h的时候，孔隙率为42%的换热系数比孔隙率为27%的表面增加了16%；环境压力升高到3.7bar时候，热流密度在50W/cm~2至340W/cm~2时候，表面温度升高到8℃至17℃之间，符合散热元件实际工作条件。