核态沸腾相变传热因其能以较小的过热度实现高效的热量输运,在航空航天、信息通讯等领域涉及的高热流电子设备散热方面显示出重要的应用潜力。沸腾相变传热涉及气泡成核、生长、脱离等动力学过程,并伴随复杂的两相流动、汽液相变和显热、潜热传递等行为,是耦合流体力学、热力学、传热学等理论的复杂传热传质过程。深入认识沸腾过程流型演化规律和相变传热特性,掌握核态沸腾传热强化作用机理对设计优化高效散热设备具有重要的应用价值。然而,我们也必须认识到,沸腾过程涉及的两相流动、相变传热等行为十分复杂且相互耦合,目前对该过程涉及机理的认识尚不清晰。以沸腾相变传热为基础设计的散热设备往往采用闭式受限空间,其内的沸腾过程不仅有异于开放空间,还会受蒸发工质冷凝回流的影响。于此同时,微电子设备工作模式可能形成特殊的热流边界条件,这对散热器件内工质的沸腾传热行为的影响也尚未完全揭示。此外,以表面微加工和表面改性为代表的沸腾传热强化手段显著提高了表面沸腾的传热性能,却在可持续性上受到挑战,基于导热系数异质设计的传热强化手段在强化沸腾传热和可持续性上均具有显著优势,故有必要对其传热强化机制进一步分析。并且,目前针对沸腾相变传热行为和汽液两相流动的研究大多基于实验经验关联式,可更加真实地复现沸腾相变传热过程的数值模拟方法有待进一步发展。为此,本论文采用理论分析和数值模拟相结合的方法,就沸腾相变传热及汽液两相流动行为开展了较为深入的研究,发展了基于多相格子Boltzmann方法伪势模型的沸腾相变传热直接数值模拟手段,分析了受限空间内汽液相变过程流型演化特征,考察了脉冲热流条件下的沸腾过程,复现了导热系数异质结构表面这类新型沸腾传热强化表面的沸腾相变传热行为。此外,针对原始伪势模型具有热力学一致性和无法独立与密度比调节表面张力的问题,本文提出了一个适用于大密度比汽液两相系统的三维格子Botlzmann方法伪势模型。概括起来,本文的研究内容及获得的主要研究结论如下:（1）受限空间内蒸发/沸腾两相流型演化及传热特性研究构建了二维受限空间内蒸发/沸腾-冷凝耦合相变传热模型,并基于混合热格子Boltzmann方法数值模拟研究了该受限空间内的汽液相变传热行为。通过改变施加在受限空间系统上的局部热流密度q,受限腔体高度H和充液率φ,定量评估了受限空间内蒸发/沸腾两相流流型演化规律,结合热阻的概念对比了受限空间的传热性能。研究结果表明:（a）热负荷直接影响受限空间内的蒸发/沸腾流型,伴随施加的热流密度的提升,即Ja的增加,受限空间内依序出现池表面蒸发、间歇性核态沸腾、充分发展核态沸腾、过渡沸腾和膜态沸腾;（b）受限空间蒸发段的蒸发/沸腾流型直接决定了蒸发段壁面的温度响应。发生间歇性核态沸腾时,周期性的气泡生成过程伴随长时间的能量积累,因此蒸发段壁面的温度响应曲线表现为周期性大幅震荡。充分发展沸腾时由于连续气泡不断生成,且成核位置无规律,此时温度表现为随机小幅震荡;（c）空间受限程度影响发生核态沸腾的热流区间大小（即Ja）。空间受限程度越显著（即Bo越小）,受限空间内蒸发段越容易发生过渡沸腾和膜状沸腾。小Bo工况下,对应传热性能较好的核态沸腾的Ja区间较小;（d）充液率同样影响蒸发/沸腾和冷凝相变传热行为,以及它们之间的相互作用强度,进而对受限空间内的传热性能产生显著影响。小充液率条件下沸腾发生时蒸发段会偶尔直接暴露在蒸汽中,大充液率将导致形成直接连接蒸发段和冷凝段的液桥,这些都将抑制蒸发/沸腾和冷凝相变传热行为。中等充液率充分保证了蒸发/沸腾和冷凝的发生以及它们间合适的相互作用,从而强化了受限空间的传热能力。模拟结果显示,本文研究的二维受限空间内的优选充液率为φ=0.4。（2）脉冲热流条件下沸腾相变传热行为研究在充分认识受限空间内蒸发/沸腾相变传热行为的基础上,进一步考虑了特殊的脉冲热流条件对爆发沸腾过程气泡动力学行为的影响,借助混合热格子Boltzmann方法探究了脉冲热流密度和表面润湿性对气泡界面演化行为和加热面温度的影响。研究结果表明:伴随脉冲热流密度的增加,局部热源加热面上可依序观察到单泡生长、聚结生长和膜沸腾生长三种气泡生长模式。较高的脉冲热流将促进气泡的成核并形成较高的加热面温度,但也可能导致加热面上的膜态沸腾。中等脉冲热流密度条件则最有利于气泡的生长,并形成最大的气泡体积,并且该脉冲热流密度下出现的特殊多气泡聚并行为还将减小气泡生长过程体积震荡现象。表面疏水性能够促进脉冲热流下气泡的成核,并且脉冲停止后疏水性还限制了气泡的运动使其与冷表面直接接触,从而加速气泡的塌缩。（3）导热系数异质结构表面沸腾相变传热性能研究在充分考虑加热面导热系数差异和耦合传热影响的基础上,基于混合热格子Boltzmann方法数值模拟研究了导热系数异质结构表面上的的沸腾相变传热特性,分析了双导热系数表面结构对核态沸腾相变传热性能的影响。研究结果表明:（a）导热系数异质结构表面能够强化沸腾相变传热的关键在于其对气泡三相线的“钉扎”作用。限制气泡三相线的运动既防止了发生多个气泡横向聚并,形成局部蒸汽膜;又保证了气泡只能发生纵向的生长,并且被限制的单个气泡与加热面的接触面积十分有限,气泡在纵向生长过程极易形成颈部或直接脱离壁面,这样气泡的脱离频率显著上升,因此,该类加热面上的沸腾过程CHF得到提高,HTC也有所增大;（b）低导热系数嵌入物的间距与沸腾工质对应的毛细长度相当时导热系数异质结构面上的沸腾换热性能达到最佳。嵌入物的宽度对沸腾传热的强化亦有最佳值,提高嵌入物宽度能提升低过热度工况下加热面上的沸腾换热系数,但也将导致CHF的提前。而过小的嵌入宽度无法限制气泡三相线的横向移动,同样导致换热性能的下降。改变嵌入物的深度对导热系数异质结构表面上的沸腾换热性能几乎没有影响,而减小嵌入物导热系数将弱化沸腾传热。（4）改进三维格子Boltzmann方法模拟高密度比多相流动原始伪势模型存在热力学不一致性和无法独立于密度比调节表面张力等缺陷,其在多相流模拟应用上因此受到一定限制。为模拟具有大密度比条件的实际多相流动问题,基于D3Q19离散速度提出了一个三维伪势格子Boltzmann模型,改进了基于几何模型的润湿边界条件,并引入了一迭代方案以提高上述理论模型的数值稳定性。高阶Chapman-Enskog分析显示上述含源项的LB模型可恢复得到具有正确压力张量表达的Navier-Stokes方程。理论分析和数值模拟结果均显示该MRT-LB模型具有热力学一致性且可独立于密度比调节两相表面张力。此外该模型还能描述自亲水到疏水的较大范围接触角的润湿行为。最后,基于该三维伪势MRT-LB模型模拟了单个液滴撞击薄液膜和干壁面的动态演化行为。其中,液滴撞击薄液膜形成的撞击半径随无量纲撞击时间的1/2次方成线性关系,且前置因子为1.11,与实验结果相吻合;撞击干燥壁面铺展过程所能达到的最大半径受撞击We和Re影响,且铺展因子和We、Re的非线性关系与实验结果一致,验证了其在模拟多相流动问题上的可行性,也表明了该模型不失为一种可选的多相LB方案。本文工作较为系统的研究了表面池沸腾相变传热特性及核态沸腾强化机理,相关研究成果不仅可为基于汽液相变传热的高效散热设备设计优化提供有力支撑,也将为汽液两相流动及相变传热基础理论的完善提供重要素材。