喷雾相变冷却作为高效的强化换热方式,通过喷嘴或喷嘴阵列将冷却工质破碎成大量粒径介于几十至几百微米的微小液滴以高速冲击换热面形成薄液膜,依靠介质相变蒸发带走大量热量的一种相变冷却技术。其具有换热性能强、热流密度大、工质需求量少、冷却均匀等优点,被广泛认为是大功率固态激光器及集成电路元件最有效、最有前景的冷却方式。尤其在航天航空、激光技术以及国防工业这些具有高热流密度散热需求的前沿技术领域中逐渐成为不可缺少的冷却手段,尤其对当前高功率激光器阵列散热条件的苛刻要求,喷雾相变冷却不仅能满足冷却表面温度低,而且温度分布均匀性要好。喷雾相变冷却过程是一个极其复杂的能质传输过程,对传热机理有待进一步的研究。本文主要针对高热流密度大功率固体激光器二极管阵列的散热需求,搭建喷雾相变冷却实验系统,实验段采用压力式双喷嘴阵列和气助式单喷嘴,以液氨作为冷却工质,氮气作为辅助气体,对25 mm×12 mm的冷却热表面进行喷雾相变冷却实验研究。设计搭建了包括单液式回路和气、液两相回路的实验系统,设计加工了加热棒加热器和薄膜电阻加热器作为模拟热源。采用换热面积内接于喷雾底面圆条件下,喷嘴口与换热面的垂直距离作为各工况下的喷淋高度,分析了不同喷淋流量下冷却表面传热特性以及温度分布规律;通过调节背压阀改变喷淋室压力,重点研究了在高热流密度散热需求下,不同液氨饱和蒸发压力下的喷雾相变冷却传热特性;以及在较高相变冷却饱和蒸发压力,进口流量对喷雾冷却传热特性的影响,并与常压条件下进行对比分析;进一步研究了不同结构的微小槽道对喷雾相变冷却的传热特性的影响,分析了不同流量、饱和蒸发压力和不同微槽结构表面的对喷雾换热性能的影响,并与光滑表面实验进行了对比分析。最后分析了气助式单喷嘴的雾化特性;当气相压力、流量一定时,研究了通过改变液相流量从而改变气液配比对氨喷雾相变冷却传热特性的影响,并与压力式单喷嘴实验进行对比分析,并研究了微结构强化对传热性能的影响。通过本文的研究所取得的主要研究成果如下:①设计搭建了液氨作为冷却工质、氮气作为辅助气体,包括单液相和气液两相回路的喷雾冷却实验系统,设计和加工了满足高热流密度实验要求的两种模拟热源,即薄膜铂电阻加热器和加热棒加热器。②在改变制冷剂流量而实验其它工况不变的条件下,当流量较大时,热传递的形式主要以强迫对流换热为主,温度低且分布均匀;随着流量减小,换热形式由强迫对流换热逐渐过渡到以沸腾换热为主的形式,热表面温度分布均匀性降低。③随着液氨饱和蒸发压力增大,液氨汽化潜热降低有利于喷雾相变在较低热流密度下由单相强制对流换热向核态沸腾换热转变;在同一热流密度下,随着液氨饱和压力增加,热表面温度升高,过热度降低,换热系数增大,冷却能力得到大幅度提高。④维持较高的饱和蒸发压力有利于传热系数提高,过热度降低;在流量较低时,有利于传热形式更早的进入核态沸腾换,在同一流量下,换热系数比常压条件下提高了51%。⑤毛细微槽结构表面与光滑表面在同一工况条件下相比,能明显增强换热效果,喷嘴进口流量、饱和蒸发压力、微槽结构尺寸等因素对换热特性影响较大。⑥采用气雾喷嘴,在气助力作用下喷雾相变冷却换热特性明显增强,气、液相配比对喷雾相变冷却换热特性影响较大;气相流量不变,随着液相流量增加,热表面温度降低,临界热流密度值增大。喷嘴种类及雾化特性对喷雾相变冷却换热特性影响较大,当实验工况维持不变时,气助式喷嘴与压力喷嘴相比冷却效率增大。在单相强迫对流换热过程中,毛细矩形微槽结构表面由于辅助氮气层的存在增加了传递过程的阻力,使单相强迫对流换热过程减弱,与光滑表面相比换热削弱。