针对当今微电子、微能源以及生物芯片等行业对微型高效换热器研究的迫切需求,本文采用标准的微电子机械系统(MEMS)加工工艺,设计并加工了一系列硅基异形微通道(锯齿形微通道、内肋形微通道、交错形微通道等),并在自主搭建的微通道单相/两相流动换热实验台架上,首次系统研究了各种硅基异形微通道中的流动阻力和强化换热特性,同时通过数值模拟研究了异形微通道中的流动特性并与实验结果进行了对比。借助高速显微可视化技术和同步测量技术,本文还对异形微通道内的沸腾不稳定性进行了实验研究。通过上述研究得到以下成果和结论:在异形硅基微通道单相流动和传热研究方面发现:相同当量直径的锯齿形微通道比平直微通道耗用更多的泵功;锯齿形微通道内层流流动摩擦常数比平直微通道的大,且随Re数的增加而增长;相同当量直径的交错形微通道不会比平直形微通道耗用更多的泵功;交错形微通道的摩擦常数较相应平直形微通道略有减小或基本保持不变。锯齿形微通道和交错形微通道都能很好的强化换热,对流换热Nu数较平直微通道有明显提高。相同质量通量下锯齿形微通道和交错形通道能很好的降低壁面温度;换热热阻随流量的增加而减小;相同泵功条件下,锯齿形微通道和交错形微通道的换热热阻与相应平直形微通道相比有明显下降。通过数值模拟对内肋形微通道、锯齿形微通道和交错形微通道内的流动阻力特性进行了研究和分析,并与实验结果进行了对比,发现数值模拟结果与实验值吻合良好。数值模拟形象直观地描述了内肋微通道、锯齿形微通道和交错形微通道中的压力场和速度场,同时显示:内肋形微通道中肋的拐点处的压力梯度最大即流动能量损失最大,肋间的凹槽内存在涡旋,随Re数变大漩涡的强度增强,漩涡的中心向下游偏移。锯齿形微通道迎流面压力高速度大,背流面压力低速度小,拐角的凹陷处压力高速度小。内肋形微通道和锯齿形微通道内的流动都具有周期性充分发展的特点。交错形微通道内,横向通道缩短了实际流动长度,减小了流动阻力,流体在横向通道内汇集破坏了流动边界层,生成漩涡促进了流体的掺混,增加流动阻力。本文在异形硅基微通道沸腾不稳定性方面也进行了探索。根据进出口水温、壁面温度、进出口压力是否随时间显著变化可将微通道沸腾分为稳态沸腾和非稳定沸腾两类。本文通过同步可视化研究和测量分析发现:(1)稳态沸腾模式下微通道内的流型为泡状流、塞状流,温度和压力随时间无明显波动;非稳定沸腾模式下微通道内的流型为波状流、环状流、雾状流,并存在大量的回流现象,温度和压力随时间存在周期性的波动。(2)非稳定沸腾模式下温度和压力随时间波动的周期和振幅受质量流率、热流密度、当量直径和几何结构的影响。质量流率和当量直径的减小会引起温度和压力波动周期和振幅的增加;热流密度的增加对温度和压力的波动周期影响较小,但会增加温度和压力的振幅;锯齿形微通道结构会增加温度和压力的波动周期,增加压力的振幅降低温度的振幅,交错形微通道结构会增长温度和压力波动周期,而对温度和压力的振幅基本无影响。(3)基于不同工况下异形微通道中的压降-流量特征曲线分析发现增加热流密度,减小当量直径都会增加系统的静态不稳定性,而异形结构对微通道静态不稳定性影响较小。(4)发现质量流量的增加和热流密度的减小可提高流动沸腾稳定性;存在q/G等于某一常数的斜线可将质量流率-热流密度区间分为稳定沸腾模式区与非稳定沸腾模式区;稳定沸腾模式和非稳定沸腾模式的区域划分受异形微通道横截面尺寸影响较大,而受流动方向结构尺寸影响较小。