近年来,随着以微散热器、微混合器为代表的微纳系统快速发展,人们对微尺度高效传热传质的需求不断提升。柱体在流场中的涡激振动现象是一种较为常见和典型的流固耦合问题。对于该现象中固液间相互作用、柱体运动机理以及其对传热传质影响规律的研究具有重要的科学意义。然而目前对于涡激振动的研究多关注开放条件下大空间内固液间的动力学相互作用,鲜有对微通道内固体在流体作用下的运动规律的报导,且缺乏有关的应用研究。有鉴于此,本文对微通道内自由旋转方柱的动力学行为和强化传热传质特性开展了模拟研究,主要研究内容如下:1.动网格数值模型的建立。基于有限体积法并耦合动网格技术,构建了二维微通道中可精准再现流体-方柱间动量交换的微尺度固-液两相模型,该模型在方柱运动过程中使网格不断重构,以适应方柱位置。同时,通过在方柱周围构建与方柱无相对运动的边界层网格的方式,确保了方柱壁面处受力计算的准确性,成功实现了对开放空间内自由旋转方柱运动状态的模拟,为后续研究建立了基础。2.微通道内自由旋转方柱动力学行为研究。通过模拟通道雷诺数在40~600之间时,不同通道阻塞率下(Br=0.25,0.4,0.55)自由旋转方柱在微流体通道内的运动,考量了不同时刻方柱表面所受压力、剪切力、转矩以及方柱周围流场、压力场等要素,揭示了方柱运动随雷诺数增大由静止转变为周期性振荡再转变为旋转的运动规律。在方柱周期性振荡的算例中,其平衡位置随通道阻塞率的增加倾向于从0转变为π/4。3.自由旋转方柱强化传热传质研究。通过对微通道上下壁面施加均匀热流密度,研究了自由旋转方柱对微通道内传热的强化效果,发现与同Re数下的固定方柱相比,自由旋转方柱能够更显著地扰动微通道内原有的泊肃叶流场,破坏通道内壁面处热边界层,提高其传热效率;通过在通道入口处通入两种浓度不同的液体,研究了自由旋转方柱对微通道内传质的强化效果,发现通道内液体的横向流动可有效促进溶质混合,强化传质进程,在Br=0.25,Re=400时,出口截面混合效率可较固定方柱和无方柱时分别提高70.5%和65500%。