伴随着电子产业高性能、微型化、集成化的三大发展趋势，电子芯片产生的热通量显著提高，散热问题成为当今电子工业发展的一大瓶颈，尤其是对于热负荷敏感度较高的CPU而言。热沉以其高效的散热能力和使用的方便，成为当今使用最广泛的一种散热方式。本文主要针对不同结构CPU水冷热沉进行数值模拟和实验研究。首先，对不同横截面积的平行通道热沉内的流动和换热性能进行了三维数值模拟研究。相同水力直径时，圆形通道热沉的换热系数是矩形通道热沉的1.4倍，而圆形通道热沉的压降是矩形热沉的1.31倍。然后，本文对不同斜率的楔形通道热沉的流动换热性能进行了数值研究，并与直矩形平行通道热沉进行比较。结果表明，楔形通道热沉的最大温度比矩形通道热沉降低0.962K，热阻可以降低16.88%，并且楔形热沉底面进出口温差较小，温度分布更均匀。最后，为了得到散热效果更好以及温度分布均匀的热沉，在上述研究成果的基础上，本文提出了一种弧形通道热沉。与矩形通道热沉相比，弧形通道热沉的努赛尔数提高了27.32%，并且可以达到更均匀的温度分布，因此弧形通道热沉结构可以有效强化流固耦合换热。同时搭建水冷实验台，对弧形通道热沉的换热性能进行了实验研究。当加热功率为170W，流量为133L/h时，热沉底面温度是34.7℃，CPU可以正常工作。本文以实验数据为依托，证明了弧形通道热沉的良好的散热性能。