高热流密度和狭小散热空间导致的散热问题是高性能电子设备技术进步和发展面临的瓶颈之一,为了保证电子设备工作的可靠性和稳定性,高效可靠的散热方案设计尤为重要。液冷散热器如冷板具有冷却效率高、均匀性好、便于维护等优点,为电子设备高效散热提供了有力手段。冷却通道的拓扑结构往往决定了散热器性能的好坏,而传统设计中多以经验设计为主,存在设计周期长、随机性大等缺点,将拓扑优化方法应用于通道结构设计,提高了设计自由度,效率高,结合增材制造技术,可快速实现工程应用。本文基于有限元法分析共轭传热过程,建立多目标拓扑优化模型,对不同热源形式和不同维度的散热问题进行了拓扑优化设计及数值仿真分析,并设计实验方案,进行实验验证。主要研究内容包括:（1）针对冷却通道平面布局优化设计问题,基于有限元方法分析共轭传热过程,建立了热-流多物理场拓扑优化数学模型,使用密度过滤和投影方法来避免数值不稳定现象,同时根据功率器件分布特点,构建了两种热源分布下的优化几何模型。以最大化换热和最小化流体能量耗散为目标,求解了热源均匀分布下的通道优化设计问题,得到了清晰的通道结构;以平均温度和温度均方差为目标函数,施加压降约束和材料体积约束,求解了热源非均匀分布下的通道优化设计问题,并讨论了压降约束对通道结构的影响。最后,通过数值仿真与传统平行通道方案进行对比,拓扑优化通道设计表现出更优的散热和水力性能。（2）将二维平面拓扑优化方法拓展到冷却通道三维结构优化设计问题中,以最小化平均温度和最小化流体能量耗散为目标,建立了冷却通道三维结构多目标拓扑优化模型。考虑两种不同的热源分布形式,构建优化几何模型,通过求解算例获得了具有空间分布特征的流道三维结构,并对结果进行了光滑处理与二次建模。设置平行通道方案作为对比,通过数值仿真深入研究了其散热性能和流动特性,验证了优化结果的有效性和优越性。（3）选取平面布局拓扑优化得到的冷却通道结构,设计制作冷板样件,搭建液冷散热实验系统并根据实验方案测量了多组实验数据。对实验数据进行了处理,结果表明,实验数据与数值仿真结果吻合较好,平均努塞尔数和总热阻的最大误差分别为6.80%和5.72%。通过实验不确定性分析,入口流速和平均努塞尔数的最大不确定性分别为4.08%和9.57%。实验结果进一步验证了流道拓扑优化设计的有效性和可行性。