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20世纪80到90年代,微通道换热器的提出推动了高密度热量电子器件冷却和微电子机械系统传热的迅速发展。微通道换热器由于其体积小、重量轻、结构紧凑、换热系数高、表面温度均匀等优良特性,在航空航天热控制系统、微电子器件冷却、空调换热设备等领域展现出广阔的应用前景。受微通道尺度效应的影响,气液两相流动与传热过程中表面张力相比重力尤其在非圆形截面的微通道内成为影响传热的主要机制,为极有限的微重力条件下的相关研究提出有效的解决途径。此外,微通道换热器的能效高、耐压性好,对环境友好可持续发展的二氧化碳（Carbon Dioxide,CO2）制冷工质在超临界热泵等冷却器部件的应用提供了可能,在解决全球经济发展和能源消耗带来的能源短缺和环境问题中蕴藏着巨大的潜力,已经受到国内外工业界和学术界的广泛关注。而如何进一步强化微通道换热器的换热性能,节约能源,提高社会和经济效益,促进人类可持续发展,一直是经久不衰的研究热点。因此,本文针对微通道内流体冷凝传热及微通道内超临界二氧化碳冷却传热展开模拟和实验研究,以期揭示其传热机理和不同因素对其强化传热的影响规律。本文主要研究内容和结论如下:（1）采用多相流流体体积函数（Volume of Fluid,VOF）模型,结合表面张力模型,通过自定义程序（User Defined Routine,UDF）添加相变模型并补充湍流模型的相关参数,建立瞬态三维微通道内流动冷凝传热的数值模型。追踪随时间和空间变化的气液相界面,绘制不同工况下产生的一种或多种流动形态（纯气相流、雾状流、环形流、波状流、喷射流、塞状流、气泡流、纯液相流）及流型转变图,分析沿流动方向变化的蒸气质量、壁面温度和流体温度在不同工况（壁面热流密度、进口蒸气流速、进口饱和温度）下的变化规律。模拟结果表明:捕捉到的冷凝流型和壁面温度与之前的实验数据吻合性良好,从而验证了模型的可行性。随着质量流速的增大,流体温度梯度不再集中于壁面底部,逐渐向整个冷凝长度均匀化过渡,与沿流动方向变化的分布的主要流型相一致。（2）对弧形微通道（Curved Microchannel,CM）内膜状环形流及冷凝传热特性展开数值模拟研究。通过捕捉弧形微通道和直管道（Straight Microchannel,SM）内沿流动方向变化的气液界面和冷凝液膜分布,结合沿流动方向变化的冷凝传热系数的变化趋势,分析表面张力和重力在非圆形截面微通道内的相对主导关系。揭示不同工况（壁面热流密度和进口质量流速）和管道结构（弧形微通道和直管道）尺寸（水力直径和弧形微通道的弯曲弧度）对沿流动方向变化的冷凝传热系数的影响规律。模拟结果表明:表面张力相比于重力在非圆形截面微通道内的冷凝过程中是主要的传热机制。冷凝传热系数随进口质量流速的增大显著增加,而壁面热流密度对冷凝传热系数的影响不明显。弧形微通道内冷凝传热系数明显高于直管道,且随着壁面弧度的增大冷凝传热系数得到进一步强化。（3）对波浪形微通道（Wavy Microchannel,WM）内冷凝流动形态及流型演变特性展开数值模拟研究。捕捉波浪形微通道内随时间和空间变化的冷凝流动形态,并绘制冷凝流型转变图。揭示不同工况（壁面热流密度和进口质量流速）和管道结构（波浪形微通道和直管道）尺寸（壁面振幅和壁面波长）对流型演变特性（环形流的冷凝长度、喷射流的喷射频率、塞状流的初始尺寸及气泡流脱离频率）的影响规律。模拟结果表明:增大进口流速或减小壁面热流密度可以延伸环形流长度,增大喷射流喷射频率,增加塞状流初始体积及其脱离频率。（4）设计并搭建超临界二氧化碳冷却传热实验台。通过对二氧化碳侧壁面温度、进口压力、进口质量流量和进出口温度,及冷却水侧进出口温度和质量流量的直接测量,计算内管壁面热流密度、内管内壁面温度、冷凝传热系数、理查森数和努塞尔数。阐明不同实验工况（二氧化碳侧进口质量流速、壁面热流密度、进口压力）和流动方向（竖直向上、竖直向下、水平）下,由于变物性参数引起的浮力效应及其对传热特性的影响规律。最后对比分析不同传热关联式与实验数据的适应性。实验结果表明:增大质量流量可以强化传热;壁面热流密度对冷凝传热系数的影响很小;冷凝传热系数随着操作压力增加而减小,且对应于传热最大值的临界温度逐渐向高温区域移动;竖直向下管内的冷凝传热系数相比水平管显著增加。强制对流相比混合对流与自然对流呈现出更好的传热性能。（5）结合三大守恒定律,选择适用于给定工况和物理模型的湍流模型,插入随流体温度变化的物性参数,建立三维微通道内超临界二氧化碳冷却传热的数值模型。通过将模拟结果与经验关联式的计算结果进行对比分析,验证模型的可靠性。对波峰波谷一致的波浪形微通道（Wavy Microchannel with Consistent Crests and Troughs,WMCCT）和波峰波谷一致的波浪形微通道（Wavy Microchannel with Opposite Crests and Troughs,WMOCT）内的超临界二氧化碳冷却传热及压降特性展开模拟研究。分析不同操作工况（壁面热流密度、进口质量流速、进口温度和进口压力）对理查德逊数、冷凝传热系数及压降的影响规律。进一步考察不同管道结构（波峰波谷一致和相反的波浪形微通道和直管道）尺寸（波浪形微通道的壁面振幅和波长）对存在二次流的速度场和湍流动能场、理查德逊数、冷凝传热系数和传热强化增幅、压降和压力损失增幅、及综合换热性能的影响规律,并揭示由于变物性参数引起的浮力效应对传热性能的影响机制。模拟结果表明:速度场和湍流动能场的矢量云图捕捉到二次流,波峰波谷一致或相反的波浪形微通道,尤其是波峰波谷相反的波浪形微通道呈现出更高的传热性能和压降,且在一定范围内增大振幅或减小波长可以提高管道综合传热性能,超出一定范围则会引起传热性能的恶化。本文通过模拟和实验相结合的研究方法,探索微通道内流体冷凝和超临界二氧化碳冷却的传热机理,以及不同因素对其强化传热的影响规律,旨在为微小型换热器的设计和优化提供理论参考。