受控核聚变能是人类梦寐以求的理想能源。托卡马克是目前最有希望成功的磁约束受控核聚变装置,偏滤器是托卡马克装置中用于排灰和输出反应能的核心部件。偏滤器水冷W/Cu模块单侧承受的稳态热流密度高达数MW/m2、瞬态甚至可至百MW/m2。在此情况下,水冷W/Cu模块会因局部温度过高、冷却水膜态沸腾传热恶化以及多材料结构热应力过大等原因被破坏。因此,水冷W/Cu模块换热效率、临界热流、热应力准确的预测方法和设计准则对其有效的工程设计非常关键。以此为背景,本文的研究内容及相关结论如下:首先,针对单侧高热流密度条件下偏滤器水冷W/Cu模块冷却通道内局部的水物性差异问题和汽液转换效率计算精度问题,采用分段线性拟合函数对水物性参数进行了修正,采用文献中Hertz-Knudsen公式修正了Lee方程中的时间松弛因子,建立了基于欧拉均相流动模型的偏滤器水冷W/Cu模块过冷流动沸腾换热修正计算方法。以偏滤器水冷W/Cu模块为研究对象,对流动和几何参数变化下过冷流动沸腾换热特性进行了数值研究。结果表明:单侧高热流密度的热环境使得水冷模块冷却通道内存在换热阶段不同的区域,上部过冷沸腾换热,下部单相对流换热,这是偏滤器水冷W/Cu模块过冷流动沸腾换热区别于其他换热设备的主要特点。冷却通道内不同区域的换热阶段随着流动参数的变化而发生转化。流速的降低使得冷却壁面整体换热变差;过冷度较低时冷却壁面顶部传热受阻,但同时增强了冷却壁面中部核态沸腾以及底部单相换热的换热强度;单相压降和两相压降随流动参数的变化规律相反,两者变化量的相对大小决定了总压降的变化规律;总压降随流速或过冷度的增加而增加,随热流密度的增加而先减小后增大;宽度的增加会提高水冷模块的温度水平并增强冷却通道内沸腾换热强度;钨层最小厚度的增加会提高加热表面温度水平,并使得热流更加集中于冷却壁面的顶部附近。其次,数值预测了偏滤器水冷W/Cu模块的临界热流,对影响水冷W/Cu模块临界热流的因素和规律进行了分析。结果表明:临界热流发生时,冷却通道后端顶部形成的汽膜层阻碍了冷却壁面与液相之间的对流换热,汽膜层内的汽相由顶部内两侧壁面附近形成的汽泡进行补充。流速和过冷度的增加、水冷模块宽度和钨层最小厚度的降低均会增加临界热流发生时加热表面热流密度(ICHF)。峰值系数是表征偏滤器水冷W/Cu模块热负荷移除能力利用程度的重要参数,本文假定冷却壁面对流换热系数是壁温的函数,对固体区域的导热进行数值计算,进而获得峰值系数。研究了几何和流动参数对峰值系数的影响及规律。结果表明,模块宽度、钨层最小厚度、雷诺数和雅各布数的增加均会使得峰值系数增加,拟合出了适用于光滑冷却通道的偏滤器水冷W/Cu模块峰值系数预测的经验关系式。然后,对偏滤器水冷模块过冷流动沸腾换热特性进行了实验研究和数值分析,研究了加热表面热流密度、流速等参数对水冷模块温度分布、冷却壁面平均对流换热系数的影响,根据实验结果判断了临界热流。结果表明:核态沸腾阶段对换热的强化作用使得固体域沿流向的温升变缓。随着热流密度的增加,单相换热阶段平均对流换热系数变化较小,而在核态沸腾阶段则显著上升。平均对流换热系数随流速的增加而增加。流速1m/s条件下实验得到的ICHF为130kW/m2。最后,基于热弹塑性理论并采用经典幂函数描述梯度层内材料分布规律,建立了热等静压技术制备的偏滤器水冷模块W/Cu功能梯度材料热应力计算模型,分析了传统等值热边界条件对工作热应力计算结果的影响,结果表明:与不等值热边界条件得到的结果相比,传统等值热边界条件下得到的最大等效应力数值偏小9.1%~15.2%。在此基础上,研究了成分分布指数p、梯度层厚度Δ等梯度层参数以及焊接温度、焊接压力等工艺参数对偏滤器水冷模块W/Cu功能梯度材料残余热应力、工作热应力的影响及规律。结果表明:在梯度层参数方面,0.1≤p≤0.2、Δ≥1mm的梯度层具有较好的热应力缓和效果,与p趋于无穷而梯度层退化为CuCrZr材料的情况相比,最大等效残余应力和最大等效工作应力的降幅分别超过53.8%和43.8%;在工艺参数方面,随着焊接温度的增加,残余热应力增加而工作热应力降低,随着焊接压力的增加,残余热应力降低而工作热应力增加,在实际工程设计中焊接温度和焊接压力应综合选取。