在严峻的能源和环境问题要求下,内燃机不断向高功率、轻量化方向发展,导致燃烧室等部件的热负荷问题急剧增加,对冷却水腔换热能力的进一步提高亟待解决。传统的对流换热方式开始难以满足日益严格的换热需求,以沸腾传热为代表的相变冷却模式引起了国内外研究学者的高度关注。表面改性作为一种新型强化传热方式,不仅能够增大换热表面的比表面积,还能够改变气泡演化行为,研究其对沸腾换热的影响对提高内燃机冷却水腔的换热能力具有重要意义。本文采用数值仿真和试验研究相结合的方式,建立了高精度池沸腾加热系统计算模型,从换热表面的相体积分数、温度和换热系数等方面探究不同表面形貌和润湿性能强化沸腾换热的规律和机理。本文主要研究内容如下:（1）设计和搭建池沸腾加热系统试验台架,并通过改变冷却液温度进行不同过冷度对换热能力影响的试验研究。结果表明,在过热度为0-40℃范围内,随过热度的升高,所有工况下热流密度均呈现先慢后快的单调递增趋势。液体温度对沸腾换热能力具有一定影响,在未沸腾之前,液体温度越低,换热能力越好;在沸腾之后,液体温度越高,换热能力越好。（2）设计四种微米级凹坑和凸起形貌换热表面,基于VOF模型对构建了亲水特性的四种微米级换热表面进行数值计算。在换热表面温度较小时,圆台形凹坑和圆柱形凹坑结构由于成核所需时间较短,表现出更好的换热能力;随着换热表面温度的升高,圆柱形凹坑结构由于微结构间距过小导致膜沸腾发生,换热能力急剧降低,圆台形凹坑结构由于出口较窄随后发生膜沸腾;在换热表面温度较大时,圆台形凸起形貌表现出最高的换热系数和最低的换热表面温度,圆柱形凸起形貌结构次之,圆台形凹坑和圆柱形凹坑结构换热能力较差。（3）基于圆台形凸起形貌的结构方案,在其换热表面构建亲疏水复合表面特性,对比分析了全亲水表面和亲疏水复合表面的气泡演化行为、换热表面温度和换热系数。亲疏水复合表面气泡的脱离时间缩短,脱离后上浮速度增大,换热表面温度降低了0.21%,换热系数上升了29.5%。针对亲疏水复合表面,运用拉丁超立方取样（Latin hypercube sampling）结合响应面分析法,研究圆台形凸起结构的各结构参数及参数间的耦合作用对换热能力的影响规律,并结合非支配排序遗传算法（Non-dominated sorting genetic algorithm Ⅱ,NSGA-Ⅱ）对圆台形凸起结构进行多目标优化设计。结果表明,圆台形凸起形貌的高度是影响圆台形凸起结构最大平均温升和平均换热系数最重要的参数,随着高度的增加,最大平均温升先降低后升高,平均换热系数先升高后降低,下表面长度对换热性能的影响能力高于上表面长度。最优的设计方案相较于亲水无形貌表面,最大平均温升和平均换热系数均有显著的改进,平均换热系数HTC升高了194.5%,最大平均温升ΔT降低了33.9%。