自上世纪30年代Nukiyama提出经典池沸腾曲线以来,沸腾换热(Boiling Heat Transfer,BHT)不仅引起了学术界的广泛关注,也在诸如热核反应堆、微电子器件、雷达和航空电子等工业界得到了普遍应用。与热传导和对流换热相比,BHT可以在较小的温差下通过两相流体相变潜热及质量交换而具有更高的传热系数(Heat Transfer Coefficient,HTC),因此强化BHT的研究俨然成为了热点。整理相关文献后,发现无源强化技术因无需外部动力辅助而广受青睐,从经济性和设备运行稳定性考虑,改变加热表面物理结构是常见的强化手段,但是相同结构下的几何尺寸变量对BHT性能影响的研究相对较少,且局限于换热特性的研究,没有从关键的换热机制上给出相应的分析。本文以去离子水为工质在常压下对16组不同高度和宽度的方形微柱体阵列表面(Square Micropillar Array Surfaces,SMAS)和平板表面进行了可视化的池沸腾实验,使用高速相机记录了气泡在不同工况和换热表面上的气泡动力学数据,同时使用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的手段与实验得到的气泡行为机制和形态特征进行对比分析。实验结果表明,平板表面上的沸腾曲线与Rohsenow关联式的结果一致,不同工况下的气泡脱离直径和频率与Cole关联式的趋势相同,汽化核心点密度与Benjamin所给出关联式数值较好吻合。本文SMAS上微柱体的高度和宽度在0.2mm至0.8mm范围内变化,微柱体的间距与宽度相同,SMAS上的换热能力都得到了强化,与平板表面相比HTC提升了32%至203%。其中,微柱体的几何因素改变强化BHT性能是有规律的:若热流密度小于500 k W/m~2,在实验范围内增加SMAS上微柱体的高度或宽度可以强化BHT性能,但是在更高的热流密度下该作用效果开始反转。结合高速摄像图像和数值仿真结果表明,较高的SMAS在低热流密度时强化换热性能的主要机制是气泡脱离直径和频率的增加,更高的微柱体的高度有着更大的传热面积,同时有利于周围过冷液体的毛细流入有助于气泡的脱离,而汽化核心点密度的分布与微柱体的高度变化无关。在高热流密度时,汽化核心点密度和气泡尺寸增大带来的大面积的气泡覆盖阻止了液体回流的路径,降低了气泡的脱离频率。微柱体的宽度变化对BHT性能的影响与微柱体的高度变化影响相似,低热流时较宽微柱体宽度的主要强化机制是气泡脱离直径的增大,而高热流时较窄微柱体宽度的强化机制是更高的气泡脱离频率。此外,为了更准确地说明SMAS上尺寸因素作用于BHT的效果,结合Rohsenow换热模型,拟合了池沸腾中不同尺寸SMAS的无量纲换热模型,修正了表面与工质的组合常数和气泡雷诺数的指数8),对于不同尺寸的选择给出了设计指导。