喷雾冷却技术具有冷却效率高、工质量小、系统结构紧凑、无沸腾滞后性且无接触热阻等优点,在激光技术、微电子、航天技术、国防等领域具备重要的应用潜力。本文围绕高热流密度激光介质高效散热和均匀冷却需求,通过数值模拟和实验研究相结合的方法探索多因素条件对喷雾冷却换热性能和温度均匀性的影响规律,具体包括以下内容:1)调研了喷雾冷却国内外研究现状,详细介绍了喷雾冷却技术的冷却机理、换热特点,评估分析了喷雾冷却技术在高热流密度激光介质的应用前景。2)根据高热流密度激光介质喷雾冷却研究需求,设计了开式单喷嘴喷雾冷却可视化实验平台。详细介绍了在实验平台中使用的设备和器件设计:模拟热源设计、冷却工质选择、雾化喷嘴选择、喷雾腔设计、供液系统部件设计与选择、数据测量和采集系统部件选择。3)建立了喷雾冷却三维几何模型,采用Discrete Phase Model(基于欧拉-拉格朗日)对喷雾冷却流场以及热源表面冷却状况进行了详细的仿真分析研究。模拟研究发现在特定条件下,喷雾冷却只发生在单相区,喷淋高度在(5～30 mm)范围内调节时,存在最佳喷淋高度(10 mm),可实现热源表面温度最低、表面温度均匀性最佳。固定喷嘴张角60°、喷淋高度H=10mm、模拟热源表面热流密度30 W/cm2等参数,工质流量在(150～300 mL/min)范围内调节时,随工质流量增加,模拟热源表面温度降低,促进喷雾冷却换热性能,改善模拟热源表面温度均匀性。4)设计、搭建了开式单喷嘴喷雾冷却可视化实验平台,以去离子水为冷却工质,实验研究获得了不同热流密度(16～110W/cm2)、不同冷却工质流量(200～300mL/min)以及不同喷淋高度(15～25 mm)下单相喷雾冷却换热效果及其温度均匀性效果。结果表明:该实验工况下,不同热流密度条件下喷淋高度及工质流量对单相喷雾冷却换热效果及温度均匀性影响显著;减小喷淋高度,热源表面温度降,对流换热系数增大,增强喷雾冷却换热效果;增大工质流量可以降低热源表面温度,但换热系数会随之减小。本次实验中最佳喷淋高度为15 mm,最佳工质流量为250 mL/min,此时对流换热系数5.53 W/(cm2·K),表面温度均匀性最佳可优于0.6℃。