在传热学领域中,存在着许多散热问题,比如微型设备的散热,具有瞬态热流密度高及传热面积小的特点,严重制约着能源动力、航天航空、生物化工、军工核能及微型电子技术等领域的发展。随着大规模集成电路技术的迅速发展,微型电子芯片单位面积的散热功率不断升高,甚至高达107W/m2。为了保持微型电子器件表面温度的恒定,必须及时地去除多余热量。因此,如何解决微型设备的散热问题成为亟需解决的关键。随着微加工工艺的发展,微通道热沉由于面体比大、结构紧凑、散热效率高等优点成为解决高热流密度问题行之有效的方法之一。本文采用实验、模拟与理论相结合的方法,针对具有高热流密度发热面微型设备的冷却问题,综合考虑通道结构及工质种类两方面因素,设计具有结构紧凑、高散热性能的复杂结构微通道热沉,并建立复杂结构微通道热沉强化传热过程的热力学模型及结构优化的数学模型,为微通道热沉强化换热研究提供理论基础。主要包括以下几方面内容:首先,为了解决凹穴型微通道在低雷诺数下散热不明显的问题,在此通道的基础上,在两个凹穴之间加入内肋,形成结构更为复杂的凹穴及内肋组合的微通道。并且,用数值模拟的方法研究了不同形状的凹穴及内肋组合的微通道的综合传热性能。模拟结果表明,在凹穴区,由于面积突扩流速减小,容易引起层流分层,形成旋涡,有利于冷热流体充分混合;而在肋区,由于面积突缩流速增大,流体质点能保持相对大的动能快速地流过凹穴段,防止形成层流滞止区。总的来说,凹穴及内肋组合的微通道能明显增强内部扰动,起到强化传热作用。在低雷诺数时,三角形凹穴及梯形内肋组合的微通道的综合传热性能最优;而在高雷诺数时,三角形凹穴及三角形内肋组合的微通道的综合传热性能最优。其次,根据热力学第一及第二定律,推导出复杂结构微通道流动与传热过程的熵产模型,并结合场协同原理,从热力学及传热学角度共同分析影响微通道热沉强化传热的本质原因。理论分析表明,降低流体温度梯度的净值能起到强化传热作用。并指出用强化传热因子、场协同数、熵产增大数及热能传输效率这四个无量纲数均能评价通道内部的传热性能,但由于定义不同,评价的侧重点也不同。再次,使用先进的流动可视化手段——Micro-PIV(Micro-Particle Image Velocimetry)系统,观察凹穴及内肋组合的微通道热沉内部详细的流动情况,从流动角度分析及验证该类型热沉的强化传热作用。实验结果表明,该类型通道的轴向速度呈波峰及波谷相互交替的周期性分布趋势;在低雷诺数时,凹穴区没有出现旋涡,内肋区的流体具有较大的动能带走凹穴区的流体,减少流体的滞止时间,提高了通道的换热性能;而在高雷诺数时,凹穴区容易形成旋涡,二次回流有助于提高通道的换热性能。接着,使用两步法制备不同体积分数的Al2O3纳米流体,并用实验手段测量其导热系数及动力粘度值。并把它作为冷却工质,流经本课题组前期提出的凹穴型微通道热沉,目的是对比分析不同种类工质对热沉散热能力的影响。实验结果表明,纳米流体的导热系数随着表面活性剂SDS浓度的增大而减小。说明表面活性剂不利于传热,其作用是使纳米粒子均匀地分散在基液中,因此表面活性剂的添加量要衡量传热与均匀性两方面因素;传热实验结果与单相模拟结果不吻合,说明单相模型不再适合用于模拟纳米流体流动与传热的问题;与纯水相比,使用纳米流体作为工质时热沉的传热性能更优,并随雷诺数及体积分数的增大而增大,但压降也随之增大;用性能评价图综合分析热沉的传热性能,表明纳米流体的确起到强化传热的作用。再接着,设计一种新型的复杂结构双层微通道热沉,并建立其熵产模型;然后提出双层微通道热沉的整体封装方式,并分析各种入口流动方式对热沉总性能的影响。结果表明,当体积流量较小时,双层微通道所产生的不可逆损失较大,不宜采用该类型热沉对微电子设备散热;当体积流量较大时,采用逆流布置方式的复杂结构双层微通道热沉进行散热,其底面温度分布更均匀,能有效地根除热应力作用。而且,下层通道的流体所产生的熵产率是引起总熵产率增大的主要原因。不同的入口布置方式对热沉整体性能的影响也很明显。最后,在给定热沉总尺寸及散热功率下,由单相流体对流传热模型,设计满足要求的微通道热沉;并以多目标遗传优化算法为基础,建立通道结构优化的数学模型,以热阻及泵功值两个目标函数同时最小为优化目标,根据遗传算法优化出传热性能优良的通道结构。以给定散热功率100W及散热面积10mm×10mm为例,根据要求设计出满足散热要求的热沉,并用性能评价图分析不同尺寸热沉的综合传热性能。结果表明,通道具有中等宽高比αc的热沉的综合传热性能最好;然后,用遗传算法优化微通道热沉的结构参数,以热阻及泵功为优化目标参数,得到一系列不同泵功下热阻最优的通道结构尺寸。