微通道流动沸腾技术在高功率密度微电子器件散热方面具有非常重要的应用。本文以去离子水为流体工质,对宽度为5.01 mm、高度为0.52 mm、加热段长度为30 mm的大宽高比单面加热狭窄矩形微通道内的过冷流动沸腾传热特性进行了实验研究,并结合高速摄像进行流动可视化揭示了传热机理。热流密度的范围为0-30 W/cm~2,质量流量的范围为200-500 kg/m~2s,入口过冷度的范围为5-20℃。实验中还设置了四个不同的流动方向角,分别为0°(底面加热水平流动)、90°(竖直向上流动)、180°(顶面加热水平流动)、270°(竖直向下流动),并且进一步采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在普通亲水硅片表面上制备得到超亲水纳米二氧化硅表面,以探究其对传热的强化作用。本文的主要结果如下:(1)沸腾曲线中具有明显的起始沸腾点(ONB)与临界热流密度(CHF),且ONB处没有明显的核态沸腾滞后现象。由于通道两侧壁面附近温度梯度较低,该处汽泡成核更为显著。两相流型与热流密度以及时间变化相关,在低热流密度下主要为孤立泡状流,在高热流密度下主要为拉长汽泡流以及局部干涸与重新润湿。(2)过冷沸腾局部传热系数沿轴向先减小后增大,这是因为入口处热边界层较薄故传热系数较高,而出口处充分发展的泡状流增强了流体扰动,故强化了对流传热。热流密度的增大产生了更多的成核汽泡,从而促进了核态沸腾。质量流量与入口过冷度的增大都提高了ONB与CHF,二者对传热特性的影响效果相似,但其影响机理不同,且入口过冷度施加的影响程度更大。(3)采用本实验数据对24个现有的过冷沸腾传热关联式进行了评估,发现Kandlikar、Shah、Chen以及Liu and Winterton关联式预测性能较好,但都忽略了低过冷度区域中过冷度的影响。考虑过冷度效应,基于Shah关联式进行改进,得到了预测精度更高的新关联式,其平均绝对误差为7.87%。(4)竖直向下流动相对于其他流动方向较早出现CHF,这是由于浮力与流体惯性力方向相反,阻碍了汽泡的脱离与移动,使汽泡更容易合并与拉长,并延长了局部干涸的时间,从而导致了传热恶化。在低质量流量下,由于浮力阻碍流体流动,竖直向下流动的总压降最高;而在高质量流量下,由于摩擦压降较大,底面加热水平流动的总压降最高。竖直向下流动的压降波动最大,即流动不稳定性最高,且随着质量流量的增大,浮力的影响逐渐被削弱而惯性力占据主导作用,故重力方向的影响逐渐减小。(5)超亲水表面能有效缓解局部干涸,从而提高CHF。对于竖直方向流动,重力对主流的影响(表现为浮力与惯性力之间的相互作用)主导了对传热性能的影响机理,而表面润湿性的影响被抑制和掩盖,故不同表面的传热与压降特性基本相同。而对于水平方向流动,表面润湿性的影响更为显著。相对于普通亲水表面,超亲水表面在底面加热时传热系数增大约10%、压降增大约37%,在顶面加热时传热系数减小约16%、压降增大约15%。