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真空闪蒸现象是指液体由于所处环境压力突然降低到其温度所对应的饱和压力以下而瞬间处于过热状态，迅速蒸发的物理现象。闪蒸技术在激光手术冷却、海水淡化、食品干燥、闪蒸射流、冰浆制取等领域已得到广泛的应用。真空闪蒸冷却是一种先进的高热流密度散热方法，在航天器热控和热防护领域具有广阔的潜在应用价值。在真空闪蒸喷雾冷却系统中，液滴到达过热面表面前的真空闪蒸特性及到达过热表面时的沸腾流动特性，对真空闪蒸喷雾系统的散热特性具有重要影响。本文针对上述物理过程，展开系统的理论和实验研究。 本文首先建立了液滴到达发热面前真空闪蒸特性的有效热导率模型，并对液滴的真空闪蒸特性进行了数值研究。所建立的理论模型在考虑液滴闪蒸过程中液滴内部存在温度梯度和内部对流的基础上，把扩散控制蒸发模型和所提出的液滴热导率修正模型相结合，经与实验值的比较显示，本文所建立的有效热导率模型和传统的等温模型相比，可以更准确的描述小尺寸液滴的真空闪蒸特性，具有更高的精度。利用该模型对以水为工质的真空闪蒸喷雾冷却中液滴闪蒸特性的分析显示，直径微米级的液滴在闪蒸过程中温度变化较大，而体积几乎不变;并且液滴温度的变化特性受环境压力、液滴的尺寸和运动速度的影响，液滴的环境压力越低、尺寸越小、液滴的运动速率越大，液滴的温度降得越低，液滴与被冷却表面的温差越大，散热的热流密度更大。上述结果可以较好地解释真空闪蒸喷雾冷却过程中的一些实验现象。 本文利用高速摄影技术对液滴达到过热表面时的沸腾过程及表面活性剂的影响进行了可视化研究。研究结果表明，表面活性剂会影响液滴达到过热表面时内部微小气泡的分布，纯水液滴的内部气泡分布较为稀疏、不均匀，并且不稳定，随时间的变化而变化;表面活性剂溶液液滴的内部气泡分布均匀且细密，并且随着时间推移变化不明显;部分表面活性剂液滴在过热表面依次经历了核态沸腾、过渡沸腾和膜态沸腾三种沸腾模式;侧壁撞击对表面活性剂液滴的内部流动有显著的影响，当液滴撞击过热表面并发生二次撞击时，有可能出现一定程度的失稳，并且液滴内部会出现涡旋流动，涡旋流动的出现会导致部分液滴最终完全失稳，液滴从膜态沸腾转换到过渡沸腾状态并最终破碎而消失，另一部分液滴会随着涡旋流动的消失最终重新稳定在膜态沸腾状态。该研究为进一步探索表面活性剂对闪蒸喷雾冷却的强化提供了实验基础。 为了进一步研究表面活性剂对液滴在过热表面沸腾过程的影响机理，本文最后利用实验方法研究了表面活性剂对水的动力粘度、表面张力以及动态莱氏温度的影响并研究了液滴体积对动态莱氏温度的影响，其中，动态莱氏温度是在自行搭建的自动控温加热平台上，利用可视化方法得到。实验结果表明，表面活性剂对水的粘度影响很小，可以忽略，而对表面张力的影响较大，随着表面活性剂浓度的增大，表面张力显著降低;少量的表面活性剂可使液滴的动态莱氏温度显著降低，并且降低幅度随着表面活性剂质量浓度的增大而增大。液滴的体积对动态莱氏温度的影响很小。针对本文所得实验数据，表面活性剂溶液液滴的动态莱氏温度在低韦伯数下对韦伯数的变化更敏感;从趋势上看，液滴的动态莱氏温度随着韦伯数的增大而降低，大致呈线性下降趋势。