随着生产工艺、电子科学技术的进步,电子元器件的集成度不断提高,功耗不断增加;这使其工作时产生的废热也越来越多,所处的热环境越来越恶劣。已有的传统冷却方法已经不能满足现阶段电子设备的冷却需求,喷雾冷却作为一种新型的高效冷却技术,以其极高的冷却热流密度,超强的温度控制能力以及启动迅速等优点,受到了研究人员们越来越多的关注,其有望成为未来高热流密度冷却的主要技术。目前针对喷雾冷却性能强化的方法很多,对热沉表面进行强化结构加工是一种最为常见、也易于应用到工程实际的方法。　　为深入地分析了解喷雾冷却的机理,提高其换热性能,本文对喷雾冷却过程中最为基本的现象——单液滴与固体壁面间的碰撞及热质传递过程进行了研究。通过对单液滴在不同工况下撞击不同浸润特性、不同结构的固体壁面动态及热质传递特性的可视化实验研究,得到了强化单液滴撞击固体壁面后热质交换的方法;由此进一步设计了凹孔强化结构表面,并对其喷雾冷却换热特性进行了实验研究。本文的主要研究内容和结论如下:　　①本文首先对液滴撞击亲水及疏水两种浸润性壁面进行了可视化实验,研究了液滴尺寸,撞击速度及壁面浸润性对单液滴撞击固体壁面行为特性的影响,如:铺展、回缩的特性、时间,铺展因数,表观接触角等。详细分析了在疏水壁面上液滴的振荡特性,并对此过程中液滴表观接触角的变化进行了拟合。实验结果表明:液滴直径对其铺展时间、铺展因数均有影响。壁面浸润性对液滴撞击的动态行为影响较大,相同撞击条件下,液滴在亲水壁面上的铺展因数大于在疏水壁面上的铺展因数,液滴在疏水壁面上的回缩速度大于亲水壁面;液滴在疏水壁面上的振荡过程表现为衰减振荡过程。液滴撞击速度越大,最大铺展因数越大。　　②对液滴撞击超疏水壁面进行了可视化实验研究,分析了不同撞击速度下液滴撞击超疏水壁面的不同结果;总结了液滴溅射出卫星液滴的特性与规律,以及液指回缩、聚并的行为。同时利用CLSVOF方法对液滴撞击超疏水壁面过程进行了数值模拟研究,分析了液滴撞击超疏水壁面过程中内部压力及速度分布规律与空气卷吸现象。实验结果显示:液滴撞击超疏水壁面会发生反弹脱离现象,其铺展及反弹的具体特征受撞击速度影响较大;撞击速度越大,液滴铺展、回缩速度越大,最大铺展因素越大,反弹后形变的随机性越大;液滴高速撞击超疏水壁面,会发生溅射现象,形成液指并脱离卫星液滴。根据数值模拟结果可以发现:CLSVOF非常适合液滴与超疏水壁面撞击过程的数值模拟,其结果与实验现象非常吻合。在撞击超疏水壁面的整个过程中,液滴内部速度及压力均保持轴对称分布特性。　　③利用光刻微加工等方法,制取了非均匀浸润性壁面。对液滴撞击半亲水半超疏水壁面、含单条超疏水线亲水壁面、含十字超疏水线亲水壁面和两种不同线宽的间隔超疏水线壁面进行了可视化实验研究。分析研究了不同撞击速度下,液滴在不同的非均匀浸润性壁面上特有的动态行为。实验结果显示:在非均匀浸润性壁面的每一种浸润性表面上,液滴撞击后的动态行为均保持其单独撞击到这种浸润性表面后的特性;而在交界处,液滴受两部分浸润性的耦合影响,其形状为平缓的过渡连接。因此会出现液滴撞击到半亲水半超疏水壁面上发生翻折的现象;在含单条或十字超疏水线的亲水壁面会被超疏水线“切割”的现象。液滴撞击到间隔超疏水线壁面上会出现破碎、残留小液滴的现象;这种现象会产生较大的扰动,且稳定时会形成较长的三相接触线。　　④利用AZO导电玻璃制取了不同的透明加热壁面,进行了液滴撞击加热壁面的可视化实验。研究了撞击速度,壁面浸润性,壁面过热度对液滴撞击加热壁面后的动态及传热特性的影响,以及间隔超疏水线壁面等对液滴与壁面间热质传递的影响;根据分析结果提出了使用凹孔结构表面强化单液滴与壁面间的热质传递,并同时进行了液滴撞击凹孔结构加热表面的可视化实验。通过上述实验及分析发现:随着壁面亲水性的增强,液滴与壁面间的传热性能增强;在三相接触线附近,换热性能较好;液滴撞击到凹孔结构表面会产生二次铺展现象,这种现象及在凹孔结构表面上较大的液固接触面积、三相接触线长度和凹孔角区的强化传热效应,均能增强液滴与凹孔结构表面间热质的传递性能。　　⑤设计制造了凹孔结构热沉表面,并分别以水和液氨为工质,对单相强制对流和相变换热阶段凹孔表面对喷雾冷却性能的影响进行了实验研究。分析了单相强制对流阶段凹孔表面以及工质流量对喷雾冷却热流密度、换热系数和表面温度分布的影响,以及凹孔表面对换热机制转变的影响。对不同尺寸结构的凹孔表面进行了氨喷雾冷却实验,研究了在相变换热阶段,凹孔表面的具体结构对喷雾冷却性能的影响。实验结果表明:在相变换热阶段,凹孔表面对喷雾换热性能有明显的增强作用,且强化程度主要受表面Bo数的影响,Bo数越小,凹孔表面的强化换热作用越大。在实验工况下,MC1凹孔表面的冷却热流密度可达451W/cm2,此时其表面换热系数为148245W/m2K,表面温度只有-0.55℃。在各种工况及换热阶段,凹孔表面的温度分布都非常均匀。