近年来,随着微细加工技术的快速发展,以微通道为研究主体的微型换热器相继出现,微尺度流动以及换热成为当前的关注重点。随着大规模集成电路的迅速发展,高热流密度微型设备的散热量已经接近107W/m2量级,简单结构的微通道换热器已经无法满足其散热要求。本文设计建立直微通道与圆形凹穴型微通道模型,采用数值方法对其进行流动与传热性能的研究,基于热力学第二定律建立凹穴型微通道熵产模型,采用熵产最低原理以及场协同原理对其进行热力学分析,进一步研究凹穴形状、圆形形状以及凸肋排布方式等凹穴结构参数对凹穴型微通道流动、传热、场协同、熵产以及热传输效率等性能的影响规律。通过单微通道的阵列过程,建立凹穴型复杂微通道板模型,设计相应凹穴结构复杂微通道换热器,进一步对其进行数值模拟分析,同时加工并制造相应凹穴结构的复杂微通道换热器实物,设计并搭建实验平台进行实验验证。主要研究内容如下:1)建立基于场协同原理的凹穴型微通道传热模型。借助场协同原理,分析圆形凹穴型微通道强化传热本质机理;基于热力学第二定律建立凹穴型微通道的熵产模型,从熵产最低原理分析凹穴型微通道强化传热的本质。同时从(?)的基本表达式推导微通道传热过程中的热能传输效率,进一步完善凹穴型微通道强化传热的热力学模型。2)基于热力学模型以及场协同原理的凹穴型复杂微通道性能研究。建立直微通道和圆形凹穴微通道数值模型,对微通道流动、传热、场协同性、熵产以及热能传输效率等性能进行分析,结果表明圆形凹穴微通道的流动性能、换热性能、传热场协同性、熵产以及热传输性能均要优于直微通道,而其流动场协同性要差。3)结合热力学模型以及场协同原理分析凹穴结构参数对凹穴型微通道性能影响规律,包括流动性能、换热性能、场协同性、熵产以及热能传输效率等,研究结果表明在不同凹穴形状(矩形、梯形、圆形)的结构中,圆形凹穴微通道的各项性能要优于其它凹穴型微通道。椭圆形凹穴微通道的性能随着椭圆度的增大先变优后变差。单边凸肋圆形凹穴微通道的流动性能要比奇对称凸肋圆形凹穴微通道与偶对称凸肋圆形凹穴微通道要好,而其它的性能则反之。4)凹穴型复杂微通道换热器结构设计与数值模拟。对比分析圆形凹穴微通道换热器与直微通道换热器的流动性能与换热性能。结果表明前者的凹穴中存在低速回旋区。两者的压强均随着流体的流动距离增加而减小,并且前者产生的压降要比后者小。圆形凹穴微通道换热器的冷水出口温度要高于直微通道换热器,而热水出口温度则相反。进一步研究凹穴形状、圆形形状以及凸肋排布方式等凹穴结构参数对微通道换热器的性能影响规律。研究结果发现不同形状凹穴中均存在低速回旋区,圆形凹穴微通道换热器的流动与换热性能要比其它形状的凹穴型微通道好;椭圆形凹穴微通道换热器的流动与换热性能均随椭圆度的增加先变优后变差;偶对称凸肋圆形凹穴微通道换热器的换热性能相对其它凸肋圆形凹穴型微通道换热器要好,单边凸肋圆形凹穴微通道换热器的流动性能则比其它其它凸肋圆形凹穴型微通道换热器要好。5)凹穴型复杂微通道换热器性能实验研究。研究凹穴形状、圆形形状以及凸肋排布方式等凹穴结构参数对凹穴型复杂微通道换热器性能的影响规律,并将实验与仿真值进行对比。结果表明在不同凹穴形状中,圆形凹穴微通道换热器的流动与换热性能优于其它形状的凹穴型微通道。椭圆形凹穴微通道换热器的流动与换热性能随着椭圆度的增大先变好后变差。偶对称圆形凹穴型微通道换热器的换热性能要优于其它其它凸肋圆形凹穴型微通道换热器最好,单边凸肋凹穴型微通道换热器的流动性能比其它其它凸肋圆形凹穴型微通道换热器要好。对比分析仿真与实验,结果发现实验与仿真基本吻合,从而验证之前数值模拟的合理性。