随着科学技术的快速发展,诸如太阳能电池板、半导体激光器、计算机主芯片、制导雷达等先进设备的热负荷越来越大,瞬态热流密度越来越高。受换热面积的限制,传统冷却技术已无法满足众多先进系统在热设计、管理和控制方面的需求。为解决高热流密度微型设备的散热问题,微针肋热沉应运而生。微针肋热沉具有比表面积大、结构紧凑、换热效率高等优点,获得了国内外学者的广泛关注。为了深入研究微针肋热沉的强化传热机理,本文设计并加工了多种复杂结构的微针肋热沉实验件,利用CFD数值模拟软件、Micro-PIV流场可视化实验系统、单相流动与传热测试实验台,对不同微针肋热沉的流动和传热特性进行了模拟和实验研究,并对微针肋热沉进行了结构优化。首先,利用二次模塑成型工艺加工叉排圆形、水滴形、不同尾角的菱形微针肋阵列,用Micro-PIV系统对流体横掠微针肋阵列的流场进行了可视化实验,并对相同结构的微针肋热沉进行数值模拟。结果表明,Re=20时,不同结构微针肋阵列中的流动保持稳定;Re=140时,在尾角为90°的菱形微针肋和纵向间距为0.44μm的圆形针肋尾部开始出现对称的漩涡;Re=275时,在尾角为60°的菱形微针肋的尾部,流线出现不稳定摆动;在75≤Re≤275的范围内,尾角为45°的菱形微针肋与尾角为60°的水滴形微针肋尾部始终没有出现漩涡,证明针肋的尾部结构可以有效抑制边界层分离和漩涡的形成。进而结合数值模拟结果对相同结构的微针肋热沉进行流动和传热特性分析,发现尾角为60°的水滴形微针肋热沉的底面温度最低,流线形的外形使其形阻较低,尾部结构降低了压力损失,通道压降最小,相同泵功下热阻最小;尾角为45°的菱形微针肋热沉的尾部结构抑制了漩涡的形成,减小了压力损耗,在菱形微针肋热沉中压降最小、热阻最小。其次,利用数值模拟的方法,对不同热流密度及不同孔隙率的直径为200μm的圆形微针肋热沉的流动和传热特性进行了研究。结果发现不同孔隙率下,热流密度对流型的影响有区别,进而影响热沉的Nu数。孔隙率为0.743时,较小的针肋间距抑制了漩涡的生成,流体扰动减弱,抵消了因热流密度升高导致的流体粘度降低,壁面效应降低带来的强化传热效果。孔隙率为0.836时,随着热流密度升高,针肋尾部的涡加速形成,加强了通道内流体的混合和扰动,带来相对较为明显的强化传热效果,Nu数有所提升。最后,本文在水滴形微针肋的基础上进行改进,设计并加工了翼形微针肋热沉,并对其进行流动可视化及单相传热和流动特性实验。结果发现,由于流体横掠翼形微针肋时在针肋两侧流速不同,通道中的流体流速呈周期性变化,有效增强了流体混合,强化了传热;与横向间距为0.36μm的翼形微针肋热沉相比,相同泵功下,横向间距为0.44μm的翼形微针肋热沉具有更低的热阻,综合强化传热效果最好。