随着微电子集成技术的高速发展,电子器件单位体积的功率越来越高,导致电子器件的散热问题日益严重,逐渐成为制约其技术发展的关键问题。在微电子器件散热方面,微尺度沸腾换热及其强化技术以及相关换热元件的优化研究近年来受到各国传热界学者的广泛关注。有关沸腾、冷凝等相变换热的实验研究层出不穷,但理论和模拟的研究难以有所突破,从目前理论和模拟方面的研究来看,尽管单相对流换热的计算方法已经十分成熟,但一旦涉及到两相或相变问题时,要考虑相界面的质量、动量和能量的传输问题,以及换热固体壁面的结构等性质,使得许多计算流体力学的方法难以应用于相变换热的研究。本文在前人研究的基础上,采用计算模拟的方法进一步研究了微小尺度下结构化表面强化沸腾换热现象,以及平板式环路热管蒸发器部分的换热性能优化和环路热管系统在不同初始状态下的启动及运行性能。实验表明,微结构化表面对沸腾换热有促进作用,本文采用三维双分布函数格子Boltzmann模型,利用Fortran编程技术模拟研究了微柱结构化表面上汽泡的成核、生长和脱离过程,考虑了微柱特征尺寸对汽泡成核和脱离周期的影响。模拟结果显示,相比于光滑表面,微柱结构化表面具有更低的起沸过热度和更大的汽化核心密度;微柱高度对汽泡的生长有较为明显的影响,相同微柱间距下,微柱高度过低时不利于汽泡的成核,而微柱高度过高时不利于汽泡的生长,而在微柱高度适中的范围内,微柱高度越低,汽泡脱离周期越短;微柱间距的改变对汽泡的脱离周期没有明显的影响,但在相同的微柱高度下,微柱间距的大小对表面能否形成活化的汽化核心有重要的影响,微柱间距过大时,汽化核心处的高温难以维持,不能持续生成完整的汽泡脱离。表面汽化核心密度大小通常对沸腾换热效率有很大的影响,因此研究单个凹穴成核的条件十分必要。本文采用二维格子Boltzmann方法研究了四种形状,即方形、圆形、梯形、倒梯形,凹穴表面上的核态沸腾现象。不考虑凹穴内部有不凝性气体的情况,模拟了四种形状凹穴表面上单个汽泡的生长状态。结果表明方形凹穴和倒梯形凹穴需要的起沸时间较长,圆形凹穴和梯形凹穴起沸时间较短,起沸时间的差异是由于凹穴结构不同造成凹穴内部温度上升的方式不同。此外,总结了凹穴能够更快起沸形成活化的汽化核心需要同时具备两个条件,一是该处具有最大的对流换热热阻,二是该处附近的流体不易与外界流体发生对流换热。毛细芯作为蒸发器内部的重要元件,其性能对蒸发器乃至整个环路热管系统的稳定运行都有重要作用,本文采用三维格子Boltzmann方法研究了具有不同孔隙率分布和具有不同导热系数分布的毛细芯对蒸发器换热性能的影响。选取的三种孔隙率分别为70%孔隙率、80%＆60%孔隙率以及60%＆80%孔隙率,后两者代表毛细芯孔隙率从靠近补偿腔一端到加热面一端呈梯度分布。模拟结果表明,毛细芯孔隙率不同对蒸发器稳定运行的温度影响较小,但由于孔隙率不同会导致毛细芯内部汽液流动及汽液分布的不同,因而对蒸发器在不同热流密度下运行的稳健性有较大的影响。研究中选取的三种毛细芯导热系数与工质水的导热系数之比分别为80、0.08以及0.08＆80,后者表示导热系数从靠近补偿腔一端到加热面一端呈梯度分布。结果表明毛细芯导热系数对蒸发器稳定运行温度有轻微的影响,但对蒸发器能够稳定运行的热流密度范围影响较大,采用导热系数呈梯度分布的毛细芯,即靠近加热面导热系数较大、靠近补偿腔导热系数较小时,蒸发器稳定运行的热流密度范围更广,且对蒸发器稳定运行的温度影响较小。采用格子Boltzmann模拟研究了一种二维平板式环路热管系统的启动及运行特性,并给出了系统从启动到稳定过程中各个时刻的密度场、温度场和流场。结果显示,在不同的初始态汽液分布下,环路热管的启动过程有所不同。初始态时蒸汽越靠近蒸汽槽道,环路热管的启动越平稳,达到稳定所需的时间越短,蒸发器稳定运行时的温度越低,且环路热管能够稳定运行的热流密度范围越广;而在初始状态蒸汽离蒸汽槽道较远时,不同热流密度下蒸汽槽道内蒸汽的产生方式不同。低热流密度下,靠近加热面端的汽液界面逐渐向液体端移动并进入蒸汽槽道,而高热流密度时,蒸汽槽道内的液体直接发生了液-汽相变产生蒸汽。