随着航天技术的发展,航天设备的发热功率日益增长,在高速航天器再入过程中存在着高热流密度的气动热防护问题。因此,如何在航天器在轨及再入条件下,实现高热流密度散热以保证航天器安全稳定的工作,已经成为航天热控技术发展的瓶颈。真空闪蒸喷雾冷却由于散热密度大、温控效果好、冷却效率高、所需工质流量少等优点,被NASA确定为一种优先考虑的空间热控方案。同时,随着电子集成及高功率激光技术的发展,真空闪蒸喷雾冷却也可以作为这些领域的一种高热流密度散热方式。但是,作为一种新型的热控方法,在公开文献中,还很少发现与真空闪蒸喷雾冷却相关的详细研究报告。本文针对真空闪蒸喷雾冷却的传热特性、传热机理及传热强化方法,展开了系列实验研究。首先,针对航天器真空条件下的热控环境,本文搭建了真空闪蒸喷雾冷却的实验平台,利用实验方法研究了闪蒸喷雾冷却的传热特性,并得出了关键参数对闪蒸喷雾冷却传热的影响规律。研究结果表明:闪蒸喷雾冷却可以有效降低发热表面的表面温度,并减小表面温度的不均匀性;在闪蒸喷雾冷却中,存在着使得散热热流密度达到最大的最佳喷雾高度;与常压喷雾冷却相比,由于液体在真空环境下的闪蒸使得工质的潜热得到更加充分的利用,因此,闪蒸喷雾冷却工质利用效率高,在实现相同散热密度时所需流量仅为常压喷雾冷却的三分之一;但不同于常压喷雾冷却的是,在闪蒸喷雾冷却中,存在着最佳喷雾流量使得闪蒸喷雾冷却获得最佳的传热效果。该研究为闪蒸喷雾冷却的工程应用,特别是对需要严格控制重量的空间热控提供了实验基础。为了探索闪蒸喷雾冷却可行的散热强化方法,本文利用上述实验平台研究了纳米流体对闪蒸喷雾冷却传热特性的影响。纳米流体由10nm、20nm以及30nm粒径的A1203纳米颗粒在不同浓度下与水混合制备而成。研究发现:当被冷却表面的温度小于80℃时,三种粒径的纳米颗粒对闪蒸喷雾冷却的传热效果几乎没有影响;但当被冷却表面温度大于90℃时,不同粒径的纳米颗粒对闪蒸喷雾冷却散热特性呈现出不同的影响效果,粒径10nm的Al2O3纳米颗粒可以对闪蒸喷雾冷却的传热起到一定的增强作用,而20nm和30nm的Al2O3纳米颗粒却对传热起阻碍作用,出现这种情况的原因可能是由于纳米颗粒本身的吸附和沉降,使得大粒径的纳米颗粒更容易吸附在一起形成纳米微团,从而影响了液滴闪蒸和液膜对表面的冲刷作用,造成传热恶化。为了进一步分析纳米流体中纳米颗粒以及分散剂的作用,本文用氧化铝纳米颗粒配制质量分数为0.1%的纳米流体,并以PVP作为纳米流体的分散剂,分别研究不同浓度的PVP对纳米流体传热特性的影响。实验结果显示:在闪蒸过程中,分散剂由于在真空环境中的挥发,使得其对传热特性的影响几乎可以忽略;但在常压下的普通喷雾冷却过程中,分散剂以及带有分散剂的纳米流体对喷雾冷却的传热具有明显的强化作用,并且,后者的强化效果会随着分散剂浓度的增加呈现先增大后减小的趋势,因此,存在一个最佳的分散剂添加浓度使得传热效果达到最大;而没有添加分散剂的纳米流体却对喷雾冷却的传热效果起到了阻碍作用。这表明,以PVP为分散剂的纳米流体作为喷雾冷却的工质时,提高传热效果的并不是纳米颗粒本身而是PVP分散剂。该结论有利于解释现有文献使用纳米颗粒后传热效果相互矛盾的现象,为纳米颗粒传热增强机理的探究提供了实验基础。最后,为了研究闪蒸喷雾冷却对电子芯片等局部高温热源的冷却性能,建立了模拟局部高温热源散热的闪蒸喷雾冷却实验系统,研究被冷却表面的散热特性,重点分析表面强化结构对闪蒸喷雾冷却散热性能的影响。在该系统中,用射频电阻模拟面积为1.2cm2的高温热源发热面,并采用光滑表面、直肋表面和方针肋表面作为发热源的热扩表面,并与常压下普通喷雾冷却的实验结果加以对比。研究表明:在相同条件下,闪蒸喷雾冷却的散热效果远大于普通喷雾冷却;采用强化表面能够提高闪蒸及普通喷雾冷却的散热热流密度,但对闪蒸喷雾冷却散热的强化效果不如普通喷雾冷却;在实验条件范围内,直肋表面对换热的强化性能最好;增大喷雾流量可以降低普通喷雾冷却和闪蒸喷雾冷却的表面温度,但是对普通喷雾冷却的降温效果更加明显,采用直肋为热扩表面,流量从1.6L/h增加到3.1L/h时,普通喷雾冷却的温降幅度为24%左右,而闪蒸喷雾冷却的温降幅度仅为9%;闪蒸喷雾冷却的瞬时冷却效果比普通喷雾冷却的好,具有降温温差小,降温速度快的优点。