仿生分形微通道热沉作为一种新型的微型散热器,是实现新时代微型电子元器件高效换热、促进节能减排、推动实现“碳中和”的重要途径之一,进而在传热传质学术界掀起了广泛的研究热潮。在对仿生分形微通道热沉的研究过程中,一些研究者们提出了系统性优化的三种方式,即尺寸优化、形状优化和拓扑优化,发现了分形微通道内易发生分形效应,导致压降提升、流动不均匀、换热不充分等问题。鉴于此,本文建立了基于三种优化手段的分形微通道热沉模型,运用数值模拟的研究手段对其流动和传热特性进行了研究。建立了具有仿生随行波肋片的分形微通道热沉模型,运用尺寸优化的方法对其进行了数值模拟。研究了不同雷诺数Re、不同肋片偏心比e、不同肋片高度h对仿生分形微通道热沉的对流换热特性的影响。结果显示,在本文研究范围内,仿生分形微通道热沉的流动特性因为肋片的引入而被改变,分形效应的程度被削弱,压降随着肋片高度升高明显增加,而随着偏心比的增加,整体通道压降先降后升,而努塞尔数则先增后减,综合性能指数η随着仿生随行波肋片高度h、偏心比e、进口雷诺数Re的变化而变化,偏心比为0.2,随行波肋片高度为0.25mm时,具有仿生随行波肋片的分形微通道热沉的综合性能指数最高可达1.14。建立了具有尾端三维分形的分形微通道热沉,运用形状优化的方法对其进行了数值模拟。研究了不同雷诺数Re、不同分形支数、不同尾端分形拓扑关系对仿生分形微通道热沉的对流换热特性的影响。结果显示,仿生分形微通道的一阶分形角处的分形效应对二阶分形角的流动影响较小,整体流动状态均匀,相同分形支数的仿生分形微通道之间具有相近压降,随着分形支数增加,压降随之增加,且换热效果提升,表面温度逐渐降低,表面对称轴温度拟合曲线的斜率逐渐减小,均温性随分形支数的增加提升;O型与B型通道拓扑关系更有利于换热的增强,其中以B型拓扑关系布置的微通道热沉换热能力更强,四次分形在这两种布置条件下总是体现出最强的换热能力,在较低雷诺数运行条件下,B型拓扑关系的四次分形微通道热沉可以达到1.23-1.29的综合性能指数,而在较高雷诺数下,综合性能指数可以达到1.06-1.09。建立了基于拓扑优化思想优化的仿生分形微通道热沉,运用二值化的方法简化拓扑优化手段,对其进行了数值模拟。研究了不同雷诺数Re、不同分形维数fd、不同优化深度对仿生分形微通道热沉的对流换热特性的影响。结果显示,随着分形维数的提升,通道内压降降低,而分形维数为1.5的微通道热沉换热效果最佳,优化后的分形微通道热沉表面平均温度最高可以降低0.5K;各优化深度在对应的雷诺数条件下拥有最好的综合换热能力,低速优化对于各雷诺数运行条件的适应性较好,综合性能指数较为平均,中速优化可以提升的极限换热效果更为明显,其中分形维数为1.5的分形微通道经过中速优化后,能够表现出最好的换热性能,最高综合性能指数可以达到1.56。本文共有表格8个,图32幅,参考文献102篇。