在许多工程领域中,微电路板的集成化程度越来越高,其产生的高瞬态热流密度会导致器件表面温度过高,从而影响设备的工作性能及寿命。因此,针对低雷诺数下微电子设备高热流密度的散热问题,本文采用数值模拟与理论相结合的方法,综合考虑通道结构、工质种类及传热方式三方面因素,建立了复杂结构微通道的热力学模型及结构优化模型,旨在设计出一种结构紧凑且散热效果优良的微型换热器。所展开的工作主要包括以下几方面的内容:（1）首先,为了提高三角形凹穴及内肋组合式微通道（简称Tri.C-Tri.R复杂结构微通道）的整体传热性能,对三十组具有不同凹穴高及肋高的Tri.C-Tri.R复杂结构微通道进行数值模拟,以热阻Rth和泵功PP作为优化目标函数、凹穴高e1及肋高e2作为设计变量。采用响应平面近似法（RSM）,非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）及k-means聚类法对微通道结构进行优化,通过场协同原理及强化传热因子进行评价分析。结果表明,四组代表性解将Pareto优化解集划分成五个区域。相比于优化前的结构,优化后的强化传热因子分别为1.08、1.12、1.15及1.23,其中,通道4的整体传热性能最佳。（2）其次,为了研究微结构分布形式对复杂结构微通道流动及传热特性的影响,采用Al2O3/水纳米流体作为换热工质,对四组肋排列顺序不同的复杂结构微通道进行数值模拟,并通过改进性能评价图及强化传热因子进行评价分析。根据工作条件的不同,性能评价图被划分成了四个区域,其中,区域1表示流体能有效强化传热但并不节能;区域2、3及4分别表示在相同泵功、相同压降及相同流量时流体能有效强化传热并且节能。结果表明,所研究的强化手段均能有效地节能（数据点均落在区域3和区域4上）。而肋交错排列分布结构（通道D）的整体传热性能最佳。在体积分数为2 vol.%时,通道D的最大强化传热因子为2.2517。（3）再次,为了进一步提升微通道的整体传热性能,以Al2O3-TiO2/水混合纳米流体作为换热工质,对孔隙率为0.5～0.7的多孔介质微通道进行研究。通过对温度场和速度场的分析可知,相比于固体微通道,多孔介质微通道在强化传热的同时能有效降低管内压降。在Re=257时,孔隙率为0.7的多孔介质微通道壁面平均温度下降了3%,而管内压降下降了72%。此外,还研究了微通道两相流动及沸腾传热特性。结果表明,凹穴及内肋等突起结构能促使气泡快速破裂;而高质量流速及低热流密度能有效抑制管内的不稳定沸腾。