有效的提高换热效率,对于降低能耗、确保发热设备的安全至关重要。池沸腾换热因具有需要的辅助设备少、噪声小、换热系数大等优点,被广泛作为高热流设备理想散热方式。梯度金属泡沫不仅保留了金属泡沫比表面积大、扰流能力强等优点,其逐渐变大的孔隙结构,有助于气泡逃逸,可以表现出更好的池沸腾换热性能。本文设计、搭建了池沸腾实验台,并利用高速相机来捕获池沸腾气泡行为,研究了梯度金属泡沫池沸腾换热与气泡行为特性。实验中,金属泡沫的材质为铜和镍,孔隙率恒为0.98,孔密度变化范围为5 PPI-100 PPI,厚度变化范围为2 mm-14 mm,沸腾工质为去离子水,不同浓度的SDS、TX-100、正庚醇及Al₂ O₃纳米颗粒溶液。在池沸腾换热特性研究方面,实验结果表明:梯度镍泡沫较单层镍泡沫显著地提高了池沸腾换热能力,但是金属泡沫厚度、孔密度组合、材质及表面活性剂等对沸腾换热效果均有影响。增加下层镍泡沫厚度,池沸腾换热增强,但是对于上层孔密度较大的梯度镍泡沫,高热流密度时,下层镍泡沫厚度变大将恶化换热。中低孔密度组合的梯度镍泡沫的池沸腾换热性能明显优于高低和高中孔密度组合的梯度镍泡沫。材质对梯度金属泡沫池沸腾换热性能影响取决于热流密度大小,低热流密度时,铜-镍梯度金属泡沫换热能力更强。添加SDS可以增强池沸腾换热,浓度增加,强化效果减弱;TX-100强化效果不如SDS,甚至会恶化沸腾换热。Al₂ O₃纳米颗粒会抑制池沸腾换热,因为Al₂ O₃纳米颗粒在沸腾过程中发生沉积,且沉积层的导热率更低。在气泡行为特性研究方面,实验结果表明:SDS使梯度金属泡沫池沸腾气泡脱离直径变小、膨胀速率变大、生成速率增大,且TX-100活化性能更强。正庚醇增大了铜表面润湿性,不利于换热,观察其在梯度金属泡沫内池沸腾时气泡脱离行为发现:低热流密度时,脱离的气泡依附在金属骨架,或是静止或是滑移,气泡直径变小直至消失;增大热流密度,气泡以破裂和整体滑移两种常见形式脱离金属泡沫骨架阻碍;当热流密度增加到1.0×10⁵ W·m^-2时,相邻气泡在梯度金属泡沫内发生合并,形成一个较大的气泡,并最终脱离金属泡沫。在数值模拟方面,建立了二维简化的梯度金属泡沫几何模型,重点研究了气泡在金属泡沫内的脱离规律,模拟结果表明:梯度金属泡沫上层变大的孔隙有助于气泡脱离,且气泡上下表面速度振荡变得更加明显。但是两层金属泡沫接口处骨架的排列方式会影响气泡的运动,如果出现明显的叉排骨架,气泡顶部将受到金属骨架阻碍,发生破裂,不利于气泡脱离。