沸腾相变传热作为一种高效传热手段,广泛应用于高效换热器、快速冷却及能源存储等领域。它是一个涉及气、液、固相的复杂过程,沸腾过程本身的随机性与不确定性为其研究带来了很大的困难。本文利用高速摄像机和红外热成像设备对不同单晶硅表面的沸腾现象进行了在线可视观测,获得了各表面不同热流密度时的气泡脱离直径、气泡脱离周期、沸腾曲线以及气泡生长及脱离过程的温度演变过程。分析了沸腾壁面微结构对核态沸腾过程的微观影响规律。在光滑表面上,汽化核心的生成具有极大的随机性,温度场的变化规律显示在气泡脱离加热壁面瞬间加热壁面降温高达十几度,之后壁面在薄液膜导热换热的情况下逐渐升温,此过程瞬态热传导换热中占主导地位。微坑表面上气泡会首先在微坑上生成,随微坑直径的变化气泡的脱离直径几乎不变,可见微坑的存在可以减少沸腾的随机性与不确定性;伴随气泡的生成和脱离,壁面温度演变规律与光滑表面上基本相同,瞬态热传导为主导传热过程。同时通过从底部沸腾气泡温度演变过程的观察,本文首次提出三维过热度的概念,并发现在光滑表面与微坑表面上,核态沸腾的汽化核心位置主要受三维过热度的影响。在微柱表面上气泡运动情况则与光滑和微坑表面上大大不同,对于均匀微柱表面和坑形微柱表面而言,气泡首先在微柱间隙内生成,之后互相合并成为一个大气泡,气泡脱离直径与脱离时间存在正相关性,而与热流密度关系不大。局部温度演变过程显示,在微液表面上气泡脱离时的温差变化较小,可见由于微结构所带来的厚微液层及由微柱引入的毛细力促进液体间的回流作用,微液层蒸发在微柱表面沸腾时起着决定作用;在槽形微柱表面上的气泡存在明显的侧吸作用,槽道上生成的气泡不断被周围微柱吸走,最后在微柱区域合并成一个不规则形状的大气泡而脱离加热壁面。