随着微型电子机械系统(MEMS)领域的技术发展,在许多应用场景中,如航空航天设备、高性能微型电子设备等,其器件的散热由于尺寸的减小和功率的提高而受到挑战。微通道相变换热技术可以显著提高换热器的紧凑度,减小换热器尺寸和重量,并提供较高的传热系数和良好的表面温度均匀性。本文搭建微通道流动冷凝实验系统,并建立有效的物理数学模型,从实验和理论上系统深入研究微通道内制冷剂流动冷凝传热特性,揭示微通道流动冷凝区别于常规尺度下的传热机制。对于克服高度集成化发热设备带来的散热挑战、发展新型冷却技术和完善相变传热理论体系具有十分重要的意义。本文实验研究了水力直径为0.67mm的矩形微通道内制冷剂R410a流动冷凝的流型特征及传热规律。通过流型观测,发现沿冷凝流动方向存在环状流、环波状流、间歇流(弹状/塞状流)和泡状流,当质量流速高于200kg/(m2s)时,间歇流和泡状流消失,环状流为主要的流动冷凝流型。传热实验结果表明,基于常规尺度通道开发的环状流和分层流的传热关联式未能准确预测微通道内流动冷凝的传热特征;同时,增大入口质量流速和平均干度将提升冷凝传热系数,而壁面过冷度和饱和压力的增大则降低了冷凝传热系数。通过忽略重力的影响并突出表面张力的主导作用,对冷凝环状流过程进行合理简化,本文建立了矩形微通道内流动冷凝环状流一维稳态模型,初步揭示了表面张力在微通道流动冷凝中的重要作用。基于R410a在矩形微通道内流动冷凝的实验结果验证了模型的准确性,模型预测值与实验数据的平均相对误差为16.2%。理论分析发现:首先,弯月面半径沿流动方向呈抛物线状增大,但其增长速率逐渐变缓,冷凝液膜厚度则沿流动方向呈线性增加;其次,质量流速的增加引起气液界面剪切应力增大并降低冷凝液膜的厚度,从而提高了冷凝传热系数;最后,水力直径的减小增强了表面张力的作用,导致弯月面半径以及冷凝液膜厚度的减小,因而带来更高的冷凝传热系数。为进一步揭示微通道流动冷凝过程中冷凝液的铺展和分布规律,建立了流动冷凝环状流三维稳态模型。模型的计算结果表明,弯月面区冷凝液在较低雷诺数下的对流效应将增强冷凝传热,冷凝传热系数的模型预测值与实验数据平均相对误差为5.3%。研究发现,矩形微通道内薄液膜区的范围沿蒸气流动方向逐渐缩小而弯月面区则逐渐扩大;同时,薄液膜区的冷凝液膜厚度呈先增大后减小的变化趋势,而弯月面区的气液界面曲率半径沿流动方向逐渐增大且冷凝液膜厚度随之增大。理论分析表明,由于薄液膜区的气液界面在表面张力作用下形成复杂的曲面,产生了指向弯月面区的正向压降,驱动薄液膜区的冷凝液流向角区弯月面,即角区抽吸效应。抽吸效应的存在降低了薄液膜区的冷凝液膜厚度,从而增强了冷凝传热系数。研究还发现,角区的抽吸效应沿蒸气流动方向逐渐增强,使得在整个冷凝环状流中薄液膜区保持着较小液膜厚度,增强了环状流的冷凝传热能力。同时,质量流速越大,角区抽吸效应越弱,表明了表面张力的重要性因为质量流速的提高而降低。为揭示表面润湿特性对微通道流动冷凝的影响,通过引入化学刻蚀与低表面能涂层修饰结合的方法,实现了制冷剂R141b在铜表面的接触角从12.8°提高至21.6°。实验研究表明,接触角增大主要是由于通道壁面处表面能的降低,而微通道壁面处表面能的降低引起冷凝液的速度滑移,增强了冷凝传热系数。本文还设计了一种具有梯度润湿特性表面的微通道,实现了在质量流速100-400 kg/(m2s)范围内对冷凝传热系数的增强,冷凝传热系数较普通表面通道提高了 16.67%。