目前,以小型便携式电子消费设备为主流的微电子行业发展迅速,微电子技术的应用使得高性能芯片的功率密度大大提高,与此同时,电子设备持续小型化和对高端性能的需求也导致芯片的热流密度急剧增加。而离子风散热技术作为一种新型的空气冷却方式,大有取代传统风扇冷却技术的潜力。为提高离子风的散热性能,本文以电极翅化式离子风散热系统为研究对象,基于实验测量与有限元法数值模拟相结合的研究方案,探究其电学性能、流动机理及传热特性,归纳电极结构参数对离子风的流动与传热过程的影响规律,并进一步建立离子风仿真模型,形成离子风的电场分布、流速分布和温度场分布理论,在此基础上对离子风发生装置进行优化设计,为面向电子设备散热的离子风散热系统的开发及应用提供理论依据和可靠的工程指导。具体工作包括:通过实验对比分析了针-网式和针-翅片式离子风散热装置的离子风速特性和冷却性能,探究了离子风发生装置结构参数对其性能的影响机制,建立了用于定义电流体动力学与传热学之间关系的经验关联式,并提出了一种利用积分公式计算工作电压范围内装置平均效率的方法。结果显示,工作电压与电流的平方根成正比例关系,且电极间距d和发射电极数量N是V-I关系式中比例系数k的主要影响因素;增加针状电极的数量可提高平均风速和出口速度的均匀性,但降低出风口的局部最大速度;针-翅片式结构可在功耗仅为0.85W的工作状态下使发热板的温度从54.5℃降至39.1℃,且翅片电极的换热量是离子风外掠发热板时的对流换热量的两倍以上。以针-翅片式和针-网式离子风实验装置为原型,基于电晕放电控制方程、流体动力控制方程、传热控制方程及粒子追踪控制方程,利用多物理场耦合仿真软件COMSOL MULTIPHYSICS建立了离子风散热装置的二维数值仿真模型。计算结果表明,电势分布与空间电荷密度分布都是从发射电极朝着接收电极入口的方向逐渐降低至零;针-翅片式模型的中心流道的流速明显高于其它流道,而针-网式模型的出口风速分布会更加复杂,平均风速较高;主流区对流换热系数更大,翅片表面温度更低,上下流道的流速较低,表面温度更高;空气中半径越大的粒子累积的电荷数越多,且绝大部分粒子都被翅片电极吸附,其中0.6～1μm的大颗粒物的被吸附效率达到100%,此外,未被吸附的少数粒子到达流道出口时电荷量也已降为0。通过数值仿真模型对电极翅化式离子风散热系统进行参数研究与优化设计,在单级结构中,探究了翅片间距与厚度之比(d_fin/W_fin)、发射电极与接收电极之间的间距d、发射电极的位置y与工作电压V等参数对电极翅化式离子风散热装置性能的影响,并利用正交试验设计法获得最佳结构参数组合。此外,为提高出口风速,提出一种两级结构的翅片式离子风散热系统,并建立数值仿真模型对其进行分析及优化,为电极翅化式离子风散热系统在不同热流密度工况下的应用提供理论基础。结果显示,单级最佳参数组合为翅片间距与厚度之比为5、电极间距为5mm、针的位置为0、工作电压为7k V,优化后的离子风散热系统的出口局部最大风速为4.11m/s,平均风速为2.73m/s,比优化前分别提升了90.3%和79.6%,当发热芯片TDP为30W时,翅片表面平均温度为80.2℃;在两级结构中,优选级间距为20mm,优化后的出口局部最大风速达到4.96m/s,平均风速达3.57m/s,分别比单级结构增长了20.7%和30.8%,当发热芯片TDP为30W时,优化后的翅片表面平均温度为65.8℃,比单级结构降低了17.9%。