利用流动沸腾换热的微通道热沉具有所需工质流量小、换热系数高、温度分布均匀等优势,是适用于高热流密度微电子器件的一种极具应用前景的散热技术。但随着热流密度不断攀升,流动沸腾的不稳定性逐渐成为制约微通道散热技术发展的重要因素,其引发的流量、压降振荡和壁面热点会导致一系列控制问题和安全问题。因此,迫切需要深入地研究微通道热沉中流动沸腾不稳定性的产生机理,并设计和开发出换热系数高和稳定性好的新型微通道热沉。本文设计和加工了不同基材和结构的微通道热沉,搭建了微尺度流动沸腾可视化实验台,采用实验与理论建模相结合的方法,对微通道热沉内连续两相流型不稳定沸腾和压降振荡型不稳定沸腾进行研究,分析其成因,并提出提高流动沸腾稳定性的方法。首先,设计和加工了硅基并联矩形截面直微通道和折线型微通道,并搭建了一个同步多传感器流动沸腾实验台,该实验台采用高压氮气推进,因此微通道上游具有极低的可压缩性。在对两种微通道热沉进行流动沸腾换热实验发现:在相近的工况条件下,折线型微通道热沉的流动沸腾换热系数最高可达直微通道的1.25倍,其沸腾起始点的壁面温度也较低,证明设置弯折结构可以有效地提高微通道中的流动沸腾换热系数,但折线型微通道的平均压降比直微通道要高。实验结果还表明,直微通道中的单相/两相界面清晰且整齐,而折线型微通道热沉中个别通道内的返流现象比较严重,这容易引起流量分配不均;与直微通道相比,折线型微通道入口附近存在大量额外的核化穴,这削弱了流动沸腾的稳定性,特别是高质量通量下,其沸腾稳定性更差。其次,利用高速显微摄影系统和高速红外热像仪,研究了微通道在不同沸腾状态下的流型转变和壁面温度分布变化,根据单相强制对流换热系数预测关联式和两相摩擦压降预测关联式建立了微通道中流动沸腾稳定性边界的预测模型,计算结果表明:降低入口温度、提高微通道上游换热系数以及在入口加装节流结构都可以提高流动沸腾的稳定性,但由于节流件会显著提高入口压力,因此节流件在设计之初应平衡流动阻力和稳定性的关系。利用热网络法,结合实际流型转变过程,推导出了适用于硅基并联矩形截面直微通道的连续两相流型不稳定沸腾的动态仿真模型。通过分析模型及其计算结果可知,通过强化单相强制对流换热系数和流动沸腾换热系数可以有效地消除固/液温差-热流密度关系曲线上负斜率区,从而避免工质与壁面发生自持地能量交换,最终消除了连续两相流型不稳定沸腾。再次,设计和加工了6063铝合金基矩形截面直微通道热沉实验件,并搭建了一个可调节系统上游阻力配置和压缩性的流动沸腾实验台,该实验台采用精密注射泵推进,以提高实验结果的准确性。在6063铝合金基微通道热沉中进行的流动沸腾换热实验表明,若系统上游可压缩性较大,微通道会发生压降振荡型不稳定沸腾,流量和压降会发生大振幅、长周期振荡,并且微通道内主要是单相液/汽液两相转换流;增加系统上游的沿程阻力损失可以降低压降振荡的振幅和周期,并且提高稳定流动沸腾边界的干度,尤其对低质量通量条件下稳定边界的干度的提升效果相对较好;增加系统上游的局部阻力损失对压降振荡的振幅和周期影响较小,但流动沸腾的稳定性边界仍会得到显著提高。最后,设计和加工了三个具有不同深度和入口结构的6063铝合金基矩形截面直微通道热沉,搭建了一个循环供液式流动沸腾实验台,研究了微通道结构对压降振荡型不稳定沸腾的影响。研究结果表明,工质在微通道中的压降-质量通量关系曲线中存在一个负斜率区,该区域的平均斜率随着通道深度的增加而增加;负斜率区的平均斜率越高,越不利于微通道中的工质与可压缩容积发生动量交换,提高负斜率可增强流动沸腾的稳定性;入口引导结构会削弱微通道热沉的并联稳定性,使微通道间更容易发生动态的流量分配不均,也导致工质在低干度条件下的负斜率升高。通过比较不同结构微通道的实验数据后发现,入口引导结构可以有效提高流动沸腾稳定性边界的干度,提高微通道在低干度工况下的流动沸腾稳定性。