微型化是科学技术发展的重要方向之一,随之而来的是微型器件超高热流密度散热问题,微尺度相变换热由于其具有相变换热能力强、换热比面积大等优点,可广泛应用于高性能计算机、激光、微电子、动力、空间及MEMS等新技术领域中。然而现有的微尺度相变换热研究结果还存在一些不足之处,对微尺度相变传热机理的认识存在分歧,缺乏普适性的换热理论模型,此外,微尺度相变换热中普遍存在的不稳定性问题制约着微通道冷却技术的发展,亟需对不稳定性发生的机理和规律开展深入研究,以提出有效的控制方法。微尺度条件下,薄液膜蒸发换热对流动沸腾起到非常重要的作用,而微通道流动沸腾的不稳定性由汽泡急速成长引起的压力波动引发,从根本上取决于汽泡沿微通道成长过程中形成的薄液膜分布及其时间变化。因此,本文以研究微尺度液膜的传热和流动机理为途径,旨在阐明微通道(微槽、微管)内流动沸腾的传热过程和不稳定性现象的发生机理,并量化相关规律。本文首先对常温条件下微尺度气液两相流的底层液膜厚度进行了实验研究,以水、乙醇、FC-72作为工质,使其流过内径分别为0.5 mm和0.75 mm的石英玻璃管,采用激光共聚焦位移计测量了液膜厚度随时间的变化,采用高速摄像机进行可视化实验探究微管内部流型以及气泡速度。得到了气泡速度、相对滑移速度、空泡份额、汽塞/液塞长度等与液膜厚度的相互关系,滑移速度、液膜厚度的理论模型与实验结果相吻合。基于Taylor流流体动力学本文开发了表面张力和粘度物性在线测量的新方法。微通道流动沸腾是一个瞬态变化的现象,其换热系数也随汽泡的生长、脱离及液体的再润湿等过程不断发生改变。为揭示微通道流动沸腾换热机理,本文改进了微通道流动沸腾测量技术,采用可视化、液膜厚度、局部壁面温度和进出口压降同步、瞬态测量的手段,使空间分辨率达到20 μm,液膜厚度、压力、温度等信号的响应时间达到1ms。实验以去离子水为流体工质,微通道内径为0.94 mm,热流密度范围在20～120kW/m2,质量流量范围在50～400kg/m2s。通过对微通道壁面涂覆氧化铟锡(ITO)来实现壁面均匀加热以及可视化研究。采用激光共聚焦位移计测量了微通道流动沸腾过程中液膜厚度的瞬态变化,得到了液膜厚度瞬态分布图,通过理论分析建立了液膜厚度的动力学变化模型。微通道流动沸腾底层微液膜蒸发对换热起到非常重要的作用。本文结合微通道流动沸腾可视化实验,定量研究了汽泡成长过程中瞬态液膜厚度,同时测量壁面瞬态温度分布,瞬态进出口压力分布;从而得到了换热系数、压降等在汽泡核化、生长、脱离等各个阶段的瞬态变化。此外,本文还研究了汽泡成长过程中的不稳定性,阐述了微通道流动沸腾不稳定性机理。最后,本文在微通道流动沸腾换热实验和机理研究的基础上,通过对三区理论模型进行改进,建立了微通道流动沸腾下的换热机理模型。理论模型预测结果显示低热流密度下液塞区对流换热和薄液膜蒸发换热机理共同促进了换热系数的提高,而高热流密度下干涸区时间增加使换热系数降低。改进后的瞬态换热理论模型可以更好地预测换热系数随热流密度的变化规趋势,并能更好地反映实验结果。