中文摘要：

随着微电子元器件集成度的不断提高，其内部热耗急剧增加，传统微通道热沉面临严峻考验，目前的冷却能力已不能适应高性能微电子元器件的发展要求，利用水力空化对传热的强化作用可显著提高微通道热沉的冷却能力，因此开展相关研究具有重要科学意义与实用价值。本项目以微通道热沉为研究对象，以水力空化强化换热作为切入点，将微通道热沉与水力空化有机结合起来，对微通道热沉耦合水力空化强化换热机理进行研究。通过实验研究、数值模拟与可视化观测相结合的手段，系统深入研究水力空化场作用下微通道内流体流动与传热特性，探索微细尺度下空化泡形成、生长及溃灭的动力学行为，查明各种空化参数对微通道传热性能与流动阻力的影响规律，揭示水力空化与微通道热沉耦合机理及微通道内空化流型与传热的协同机制，找出优化微通道热沉流动和传热性能的途径，为其实际应用奠定坚实的科学理论基础和提供重要的技术支撑。

结论摘要：

本项目采用数值模拟与可视化实验研究相结合的方法，对液体空化强化微通道传热机理进行了系统深入研究，完成了项目计划书规定的各项研究内容，实现了预期目标。项目总体完成情况及研究成果总结如下 (1) 基于VOF模型，分别对单加热壁面附近空化泡溃灭特性、双平行加热壁面间空化泡动力学特性、三维微通道内空化泡的动力学特性以及空化泡运动对传热的影响进行了系统性的研究，成功捕捉到空化泡在加热壁面附近生长、溃灭期间（微秒量级内）泡壁界面的动态变化过程以及由此形成的高速微射流，通过分析气泡轮廓、液体微射流以及温度场的对应关系，从微观角度揭示了空化强化对流传热机制。在此基础上，进一步研究了空化泡半径、初始位置以及泡内压力等因素对空化泡动力学特性及传热的影响，并查明了上述因素的影响规律。为了验证模拟的准确性和可靠性，空化泡在单加热壁面、双加热壁面以及三维微通道内的动力学特性模拟结果均与实验拍摄到的结果进行了对比。上述部分研究成果发表在了传热领域TOP期刊Journal of Heat Transfer- Transactions of the ASME上。 (2) 建立了双空化泡相互作用数学模型，借助数值模拟手段，阐明了单空化泡与双空化泡的动力学特性差异，揭示了双空化泡的相互作用机制。在此基础上，进一步研究了双空化泡初始半径比值以及空化泡间距对其动力学特性的影响，掌握了各种因素的影响规律，为未来空泡群的动力学特性研究奠定了坚实的基础。 (3) 采用CFD方法，将无滑移速度混合物多相流模型和Schnerr-Sauer空化模型相结合，对微通道内伴随水力空化现象的对流换热进行了数值研究，阐明了水力空化作用下各种结构与运行参数对微通道内液体流动与传热过程的影响规律，从宏观角度揭示了空化强化对流传热机理。 (4) 设计搭建了水力空化强化微通道传热可视化实验平台并进行了系列实验研究，系统研究了液体空化数、以及空化与非空化流动条件下雷诺数和热流密度等因素对微通道流动和传热特性的影响规律，深入分析了空化数、空化流态以及微通道流动传热特性三者之间的内在联系，阐明了各种空化参数对微通道传热性能与流动阻力的影响规律，揭示了微通道内空化流态与传热的协同机制，为液体空化技术在传热领域的实际应用奠定了坚实的理论基础。