喷淋/喷射冷却具有易于实现、换热能力强等优点,被广泛应用于工农业生产中。由于液滴沸腾具有不同于池沸腾的显著特征:如液膜厚度分布不均,在三相接触线处热流密度较大;液滴气液界面的蒸发、固液壁面的沸腾与沸腾气泡的冷凝同时耦合作用,使得液滴内部气泡动力学演变过程及其换热规律更加复杂。为进一步强化液滴相变换热性能并提高其换热性能可控性,急需对光滑表面以及强化表面上液滴的沸腾换热过程及沸腾气泡动力学展开深入研究。本文搭建了单晶硅表面液滴沸腾实验台,利用两台高速相机同时监测液滴在光滑表面以及微柱结构表面的沸腾过程;获得光滑表面/微柱表面的液滴沸腾形态以及液滴内部汽化核心分布、汽化核心密度及气泡直径等气泡动力学参数演变规律,揭示了微结构强化液滴沸腾换热机理;并考察了不同壁面温度、环境温度、滴落高度及沸腾换热表面倾斜角度对微柱强化液滴沸腾换热性能的影响。结果证明:从液滴形态角度,光滑表面上液滴形变表现为与壁面的接触直径和液滴厚度同时减小,而微柱表面由于微结构的存在使得液滴形态经历接触直径稳定仅液滴厚度减小到液滴厚度到达一定值后液滴迅速蒸干的两个阶段过程。此过程使微柱表面液滴沸腾过程始终具有更大的换热面积。在换热壁面倾斜工况下,光滑表面液滴经过滚动后稳定的形态主要取决于接触角,而微柱结构对液滴滚动滞后角的影响使得换热面积增大的比例更加显著。从强化机理角度,微柱结构强化液滴沸腾换热除增大液滴的换热表面积外,显著增大了汽化核心密度、降低了气泡稳定直径;且受液滴撞击方向气流影响,微柱结构表面残存不凝气诱导的汽化核心分布具有径向分布规律。从影响因素角度,当环境温度较高时,微柱结构只在某些壁面温度下起到强化传热的作用,环境温度较低时,微柱表面在整个监测温度区间内起到强化传热的作用,且其强化传热效果并非随壁面温度持续增加;液滴滴落高度越高汽化核心密度越小,气泡稳定平均直径越小,微柱结构表面表现出更好的强化传热效果;壁面倾斜角度的增大使得微柱表面沸腾液滴具有更显著的不对称性,这种不对称性使得液滴具有更大的换热面积,同时减小汽化核心密度和气泡直径,使得蒸干时间变化显著降低,壁面倾角可有效提高微柱结构对液滴沸腾换热性能的强化效果。本文的研究揭示了微结构强化液滴沸腾换热机理,具有很强的学术价值;并对微结构表面喷射冷却的应用具有现实的指导意义。