超声强化传热是一种有效的有源强化传热技术,在工业换热器、空调、电子芯片散热等领域应用广泛。换热壁面的局部声强是超声强化传热的直接影响因素,但目前还没有学者通过改变声强分布来提高超声强化传热性能。本文通过构建聚焦超声场,大幅提高焦点声强,有效提高超声强化传热性能。提出了聚焦超声场的两个构建准则:干涉准则与驻波准则,定义了干涉系数与驻波系数,构建适用于超声强化传热的聚焦超声场理论模型。利用有限元仿真对聚焦超声场理论模型进行分析,模拟声聚焦腔中的声波聚焦过程及声场分布情况,根据超声强化传热的实际工况对声聚焦腔进行工程化设计。对聚焦超声场理论模型中的干涉系数k₁和驻波系数k₂时进行仿真分析和优化,结果表明,干涉系数和驻波系数都为整数时能够有效实现超声波聚焦。实验测量了两组椭圆声聚焦腔和矩形腔中的实际声强分布情况,实验结果与仿真结果非常吻合,椭圆声聚焦腔能够实现声聚焦,平均声强比矩形腔提高107.0%,验证了聚焦超声场的理论模型。同时,研究了聚焦超声场下的声流和空泡特征,结果表明,聚焦超声场的声源区域以体声流为主,而焦点区域以微声流为主;声源处主要为椭圆形空泡团,而在焦点区域能观察到彗星状空泡团,两者的生长和运动机理不同。发现了聚焦超声场的跨越作用和效应分离现象,对超声强化传热有重要意义。在自然对流条件下对比研究了椭圆声聚焦腔和矩形腔的强化传热性能,腔内超声强化率分布与声强分布吻合,聚焦超声场能够有效提高焦点处的强化传热性能,强化率最高达到74.7%,比矩形腔提高了31.8%。通过池沸腾实验对不同条件下的沸腾汽泡进行研究,观察到沸腾汽泡的超声悬浮现象以及特殊的桑葚状汽泡团,桑葚状汽泡团会影响聚焦超声的强化传热性能。根据实验现象提出了超声空泡的蒸发热泵理论,进一步解释了聚焦超声强化传热的作用机理。