随着微纳电子机械系统的快速发展,微纳尺度流动传热与相变特性成为微纳器件和系统内部能量输运、转换以及储存的关键,受到当前学术界的高度关注和广泛研究。当系统尺寸减小到微纳尺度级别,尺度效应变得显著,此时流动传热现象无法用宏观尺度流动传热理论进行阐释,研究微纳尺度流动传热特性与相变机理显得日益迫切。因此,深入探究纳米尺度流动传热与相变机理将助力微纳电子机械系统的革新与应用,丰富微纳尺度传热学的理论与技术。本文围绕纳米受限空间流动传热与相变机理展开研究,利用理论分析和分子动力学模拟等方法,阐明纳米尺度对流换热机理,揭示纳米受限空间强化换热与相变的影响规律与内在机制。具体研究内容与主要研究成果如下:（1）运用数学方法求解考虑粘性耗散、轴向导热的二维能量方程,结合温度阶跃和一阶速度滑移边界条件,得出流体无量纲温度和努塞尔数Nu的计算表达式,分别探究由佩克莱数Pe、布林克曼数Br和克努森数Kn表征的轴向导热、粘性耗散和气体稀薄效应对微纳通道流体对流换热的影响规律。研究发现,Pe决定了轴向导热对微纳通道流体对流换热的影响程度,Br绝对值越大对微纳通道换热影响越大。此外,当Kn≤0.1时流体流动处于非连续介质区域,通道固液界面处出现温度阶跃现象。（2）将一种典型的分形几何——Cantor分形用于构建纳米通道粗糙表面,应用分子动力学方法探索Cantor分形粗糙表面纳米通道对流换热性能。研究发现纳米通道固液界面处会出现温度阶跃和速度滑移现象。Cantor分形粗糙表面纳米通道换热性能随着表面润湿性χ或分形数n增大而增大,χ的增大使得近壁面出现类固体层,声子输运通道增多,进而促进纳米通道对流换热。通过与普通几何粗糙表面对比,发现n较大时,Cantor分形粗糙表面纳米通道综合对流换热性能更优。在n=3、χ=1.00下Cantor分形粗糙表面纳米通道具有最佳综合对流换热性能,其主要原因为过小的壁面间隙造成了局部疏水效应,随着粗糙度的增加,纳米通道换热增强,但是流动阻力不再增加。（3）研究光滑表面、矩形粗糙表面和三角形粗糙表面纳米通道冷热流体对流换热性能,揭示粗糙表面对纳米通道冷热流体对流换热的影响机理。结果证明纳米通道冷热两侧固液界面处均出现温度阶跃和速度滑移现象。对于三种表面,随着周期长度P*的增大,纳米通道对流换热性能均先增大后逐渐减小,P*=4的矩形粗糙表面纳米通道具有最佳的冷热流体对流换热性能。引入粗糙表面能增大固液换热面积,更多的近壁面流体原子聚集在一起充当“声子桥”强化界面热输运,并且粗糙表面拓展了近壁面低势能区,吸引更多的流体原子参与界面换热,有利于纳米通道冷热流体对流换热。（4）引入具有不同横截面积和高度的纳米柱,研究带有纳米柱的纳米通道流动冷凝换热特性。研究发现引入纳米柱能够有效增强纳米通道冷凝换热效果,随着纳米柱横截面积和高度的增大,纳米通道冷凝换热增强,其作用机制在于纳米柱充当“肋片”作用,不仅增大固液界面的换热面积,而且能够打断和重组热边界层。但是,纳米柱的引入将会推迟纳米通道内流体达到稳定状态的时间。与光滑纳米通道换热率相比,当纳米柱较高时,纳米通道换热率提升了 11.6%～35.8%,远高于其他情况下的纳米通道换热率（1.7%～4.1%）。产生这种显著影响的原因是较高的纳米柱能够伸入气相区域,做剧烈无规则布朗运动的气相氩原子直接与纳米柱原子猛烈碰撞,极大地促进了气相原子的冷凝。（5）利用振动诱导纳米液膜汽化,探索纳米受限空间内液膜蒸发和沸腾特性。结果证明,振幅和振动频率越高,纳米液膜汽化现象越显著。根据振动过程中水分子汽化特性将声热效应引起的汽化模式划分为蒸发、核态沸腾和膜态沸腾。在相同振幅和振动频率下,光滑表面和粗糙表面上液膜汽化模式的变化规律基本相似,但是相同振动下粗糙表面的水分子汽化率N*和液膜温度Tf均较光滑表面的小,而且表面粗糙结构越小,N*和Tf越低,证明粗糙表面能够降低振动诱导纳米液膜蒸发沸腾性能。研究进一步发现在纳米尺度下引入表面粗糙结构减小了表面润湿性,减弱了振动对固液两相换热效果。（6）耦合纳米通道对流换热和热除冰研究,研究了纳米尺度冰融化的动力学过程。在纳米通道热除冰过程中,冰的六边形网状结构从边界向中心瓦解。随着加热时间的推移,冰的温度和能量升高,而平均氢键数下降。通过冰的温度和平均氢键数的变化计算了冰融化所需的时间。在纳米通道内,大量的流体原子陷入近壁面处的低势能区参与界面热输运,以促进纳米通道热除冰。较高的热浴温度能够加速冰快速融化,但当热浴温度足够高时,继续升高热浴温度对融冰时间的影响变小。此外,冰与纳米通道之间较强的表面润湿性有助于纳米通道热除冰。综上所述,本文聚焦纳米受限空间的流动传热与相变问题,揭示了纳米通道对流换热机理,阐明了粗糙表面对纳米尺度流动和换热的影响规律,提出了振动诱导纳米液膜汽化的新手段,诠释了纳米通道对流换热对冰融化动力学行为的作用机制,相关研究成果将为微纳电子器件热管理、微纳电子机械系统应用技术和热除冰机理等研究领域提供重要的理论指导。