随着功率设备向集成化、紧凑化、小型化发展,热量积聚、热量分布不均、局部热点等问题频发,为确保设备稳定运行,对热管理系统提出了更高的要求。目前普遍使用的主动式热管理系统,主要依赖系统设计和额外能耗输入实现均温,而能够自发响应热量不均的被动式热管理器件,主要适用于平面热源工况。本文针对体热源热量分布不均问题,研究了三维结构脉动热管传热和内部复杂多相流动特性,探究了三维结构对其传热、均温性能的影响机理,并设计了基于三维脉动热管的电池热管理系统和三维脉动热管/相变材料耦合热管理系统,并研究了系统传热性能。主要工作和结论如下:（1）设计了具有多层（2层、3层、4层和5层）三维结构的脉动热管,研究了不同层数、工作角度、充液率、工质和管径等工况下三维脉动热管的传热和流动特性。结果表明:多层三维脉动热管在稳定振荡阶段具有较好的层间热阻均匀性,与单层、2层、3层和5层三维脉动热管相比,4层三维脉动热管在垂直和水平工况下具有最小的启动功率、启动温度和热阻;随着充液率的增加,4层三维脉动热管的启动温度、启动功率和热阻先减小后增大,其最佳充液率为50%;内径为1mm时,毛细阻力起主要作用,内径较大时,工质粘度起主要作用,而工质的比热和潜热直接影响脉动热管的启动性能和烧干极限。以去离子水和自湿润流体为工质的4层三维脉动热管的启动温度随热管内径的增加而降低,而以乙醇为工质的4层三维脉动热管在管径为1mm时具有最小的启动温度和启动功率。由于Marangoni效应,冷凝后的自湿润流体在较大加热功率下仍可回流蒸发端,从而避免烧干,这一作用在热管内径较小时最为明显。（2）针对4层三维结构脉动热管,研究了非均匀热源（M1、M2、M3、M4加热模式分别对应第1、2、3、4层加热功率高于基础加热功率）和不同工作角度工况条件下三维脉动热管的均温性能和流动特性,并揭示了其均温机理。结果表明:在较低基础加热功率下,三维脉动热管内部处于局部振荡阶段,均温极限较低,而在较高基础加热功率工况,三维脉动热管进入完全振荡阶段,均温极限较高;相较于M2加热模式,三维脉动热管在M1加热模式下具有更高的均温极限;工作角度对不同加热模式下三维脉动热管均温极限的影响不同,随着倾斜角度减小,M1加热模式下三维脉动热管均温极限增大,M4加热模式下均温性能减小;随着单层加热功率的增大,该层内汽液塞流速加快,当加热功率进一步增大,该层内流型由段塞流转变为环状流,三维脉动热管通过以上两种方式实现均温,而当加热功率过高时,该层发生局部烧干;改变倾角可以通过重力作用改变各层汽液塞分布,从而改变不同加热模式下热管均温性能。（3）建立了脉动热管“二液塞-二汽塞”一维数值模型,分别研究了管径、蒸发端和冷凝端长度、两蒸发端长度比等参数对脉动热管内部振荡流动特性的影响和三维脉动热管单层在不同加热功率下的振荡流动特性。结果表明:相同加热功率下,内径1mm的脉动热管内部汽液塞振幅最小,内径2mm的脉动热管振幅最大,当管径进一步增大时,振幅减小,同时流速达到动态稳定所需的时长也随之增加;当蒸发端与冷凝端长度相同时,汽液塞可达到稳定振荡且振幅较大,延长冷凝端长度则振幅减小,而延长蒸发端长度可使内部汽塞压力增大,流速加快,振幅增大;当两蒸发端长度相同时,内部汽液塞可达稳定振荡且振幅较大,适当增加两蒸发端长度差,可在保证振幅情况下增大振荡频率,而继续增加长度差则会降低振幅和频率;三维脉动热管单层内汽塞压力和汽液塞振荡流速均随加热功率增大而增大,说明在较高加热功率下,热管内部汽液塞自发加速运动,有助于实现均温。（4）设计了基于三维脉动热管的电池热管理系统和三维脉动热管/相变材料耦合热管理系统,并研究了热管理系统的传热性能。结果表明:基于三维脉动热管的电池热管理系统可明显降低不同工作角度下的电池组最大温升（小于25℃）,并保持电池组最大温差在合理范围内（小于4℃）;在某一电池异常发热时,当发热功率低于20W,仍能保持电池组温差（小于6℃）,说明该热管理系统具有较好的散热和均温性能;在耦合热管理系统中,由于脉动热管良好的传热性能,近热管管壁范围的石蜡在80W-120W加热功率下无法熔化;在相同热量输入下,石蜡/三维脉动热管耦合系统比石蜡/多个脉动热管耦合系统需要更长的时间达到完全熔化,前者壁面温度和石蜡温度较低;而在凝固过程中,两系统都具有比纯石蜡更好的性能,后者完全凝固时间约为纯石蜡完全凝固时间的48%,而前者仅为其29%,说明石蜡/三维脉动热管耦合系统具有更优异的传热性能。本论文有图100幅,表12个,参考文献180篇。