喷雾冷却是一种高效的高热流密度散热方式。由于具有换热能力强、工质流量小、结构紧凑、环境适应力强等优点,喷雾冷却在大热流密度散热条件下具有广阔的应用前景。随着星载电子元器件功率的大幅升高,喷雾冷却将成为空间微重力条件下高热流密度散热的重要技术储备。本文的工作重点在于研究喷雾冷却的传热机理和换热能力,并探索在地面上研究微重力条件下喷雾冷却换热能力的方法以及空间换热的地面模拟方法。首先,本文分析了喷雾冷却过程中的各种传热现象,并基于动力学和传热学原理,建立了常重力条件下喷雾冷却的数学模型。模型中描述了喷雾冷却中的各种换热机制及物理现象,包括:工质雾化、液膜运动、表面成核、二次成核和喷雾液滴击碎气泡等。利用该模型分析了喷雾冷却中液膜的厚度、速度、各种换热机制下的换热量(包括液滴击打表面换热量、液膜冲刷表面换热量、沸腾气泡换热量、与气相环境之间的散热量)、加热表面温度分布、喷雾冷却曲线和喷雾冷却的换热系数等传热特性。分析结果表明:当喷雾冷却工作在两相区换热时,促使表面成核气泡快速脱离是提高喷雾冷却换热能力的有效方法之一。通过改变加热表面和重力方向之间的夹角,分析了重力方向对表面成核气泡脱离机制的影响。利用自行搭建的开放式喷雾冷却实验系统和前面建立的数学模型,分别从实验和理论两个方面研究了常重力、常压条件下的喷雾冷却换热特性。得到了加热表面温度分布、喷雾冷却曲线和喷雾冷却的换热系数等传热特性。研究结果表明:计算结果和实验结果吻合良好,两者之间的误差＜10%;喷雾冷却的加热表面存在着较大的温度非均匀性。对加热表面温度分布不均匀性的分析结果显示,这种不均匀性可达到15℃甚至以上;并且随着加热功率的增大,加热表面的溫度非均匀性也随着提高;然而,在加热表面换热从单相区过渡到两相区的过程中,随着加热功率的增大,加热表面的温度非均匀性反而减小。利用喷雾冷却曲线和换热系数,评价了喷雾冷却的换热能力;总结了喷雾高度、喷雾压力、以及喷雾张角等喷雾参数对喷雾冷却换热能力的影响;和通常大多研究者所认为的不同,本论文发现喷雾冷却效果最好的喷雾高度并非使得喷雾刚好完全覆盖加热表面时的高度;为了研究喷雾冷却各种换热机制对喷雾冷却效果的影响,本文分析了各种换热机制所导致的换热量在喷雾冷却总换热量中所占的份额,发现随着加热表面过热度的增大,沸腾气泡换热在总换热量中所占的份额迅速提高,然而,当表面加热功率增大到一定值后,沸腾气泡对总换热量的贡献趋于稳定。为了更进一步研究分析喷雾冷却的换热机理和换热强化方法,本文还对抽真空条件下喷雾冷却的换热效果进行了实验研究和理论分析,得到了抽真空条件下喷雾冷却曲线和换热系数.结果表明:由于抽真空条件下的工质饱和温度低,喷雾冷却更多地工作在两相区,从而使得其换热能力增强。利用上述喷雾冷却数学模型,分析了在抽真空条件下加热表面溫度分布、喷雾冷却曲线、和喷雾冷却的换热系数,结果表明:加热表面存在着温度非均匀性:对加热表面温度分布不均匀性的分析结果显示,这种不均匀性在抽真空条件下要低于常压条件下;并且随着加热功率的增大,加热表面的温度非均匀性也随着提高。通过和常压环境下喷雾冷却换热系数进行比较,得到了抽真空条件下喷雾冷却换热的强化换热因子,结果显示:抽真空条件下的喷雾冷却换热系数远远高于常压下的喷雾冷却换热系数;当喷雾腔内压力固定时,强化因子随表面温度单调变化。由于微重力条件下进行喷雾冷却实验十分困难,利用地面实验结果模拟微重力条件下的喷雾冷却换热特性就显得十分重要。针对这种情况,本文建立了微重力条件下的喷雾冷却数学模型,并对微重力条件下的喷雾冷却换热特性进行了分析,提出了两种喷雾冷却地面模拟实验的技术方案,通过比较地面条件和空间条件下的数值计算结果,得到了这两种地面模拟实验方案的准则关系式。本文最后对空间密封舱内流动换热的地面降压法进行了传热学分析.针对几种典型航天器密封舱內的流动换热,利用数值模拟方法分析了自然对流对舱内温度分布和对流换热系数的影响,从而确定地面降压法的临界压力比,并给出了判断临界压力的准则式和临界Gr/Re~2数。利用该准则式,分析了某载人航天器密封舱(包括轨道舱和返回舱)流动换热的地面模拟实验方案,并通过数值计算验证了该方案的有效性