脉动热管是一种具有结构简单、制造成本低、适用性广和传热性能强等优点的高效传热元件。一般而言,大管径的脉动热管会具有更佳的传热性能和更高的传热极限,但脉动热管的管径需小于可在重力和表面张力作用下自发形成气-液塞链的最大管径——临界管径。因此临界管径的存在限制了脉动热管向更高功率场所应用的发展。另外,单向循环流动作为脉动热管典型流型之一,其形成可以极大的强化脉动热管的传热性能。目前相关研究大部分都是采用添加单向止回阀的形式强制工质在管内形成单向流动,这不仅增加了结构的复杂性,同时也增加了工质在管内的流动阻力,影响脉动热管传热性能。因此,突破临界管径限制,结合大管径的优势,通过结构优化促进单向循环流动在无阀条件下的形成,是解决脉动热管在高功率下稳定运行的有效手段。本文首先通过搭建相应的性能测试实验台和可视化观测实验台,实验研究了工质、充液率、倾角、操作温度和加热功率对超临界管径脉动热管传热性能的影响,并在垂直和水平状态下,对工质在管内气-液塞链的形成过程进行了可视化观测。其次根据观测结果,考虑工质在管内的流型转变以及质量和能量守恒,建立了以气-液塞链形成为启动标志的超临界管径脉动热管启动模型,提出动态临界管径概念。理论研究了工质、管径、充液率、操作温度对气-液塞链形成的影响。最后通过建立非对称加热形式下工质流动压降模型,对脉动热管结构进行优化,将结构由二维提升至三维,促进单向循环流动在超临界管径脉动热管中的形成,强化脉动热管传热性能。实验结果表明,当实验工况满足一定条件后,气-液塞链可以通过流型转变的形式在管内动态形成,实现脉动热管的正常工作。垂直状态下,气泡的生长和聚合是气塞形成并分段液塞形成气-液塞链的主要原因。而在水平状态下,高速流动的蒸气在液面波峰处形成低压区促使波峰生长是液塞形成并分段气塞形成气-液塞链的主要原因。根据理论模型可知,高加热功率和高充液率更有利于气-液塞链在管内形成,并且脉动热管的启动与工质的物性参数密切相关。另外,在三维螺旋形脉动热管中,流动压降模型表明流动阻力的不对称是工质在管内形成单向流动的原因。减小上弯头曲率半径可以更好的提升工质在管内的单向流动性,增大管径可以减小工质在管内的流动阻力,提升脉动热管传热性能。并且即使管径超出临界管径,脉动热管依然表现出随管径增大传热性能增强的趋势。实验中结构优化后的超临界管径脉动热管热阻最低达到0.02℃/W。