以微小通道为基本单元的微流体装置能够实现对流体动力学参数的精确控制并明显提高传热传质能力,使其在微电子散热、混合与分离、化学反应等领域内得到了广泛的应用。微通道内两相Taylor流动是一种通过引入气体或不混相液体来产生涡流进而强化其热量/质量传递过程的简单而有效的方法,近年来受到了广泛的关注。但微小通道内Taylor流的流动结构和传递行为相比单相流动要复杂得多,并受多种因素的影响,因此系统深入的研究Taylor流动换热机制和开发相应的强化换热技术具有重要意义。本文通过数值模拟和实验研究相结合的方法,系统的分析了微小通道内气-液和液-液两相Taylor流的流动换热特性,并对其强化传热机理进行了探究。同时结合Taylor流特点,提出了两种新型结构以调控Taylor流的流动行为,强化了微通道换热。本文首先对微通道内气-液Taylor流的摩擦压降和换热特性进行了二维数值模拟研究。模拟结果表明:Taylor流压降沿流动方向成周期性下降趋势,与两相流均相流模型和分相流模型相比,Kreutzer等人提出的Taylor流型相关压降模型具有更好的预测效果。液弹内循环流动会使X方向壁面剪切力急剧增加,Y方向上的壁面剪切力也不再为零。细致分析了液弹内的换热发展过程,发现液弹内热量传递过程同内循环流场密切相关,循环流促进通道中心流体被快速加热,进而提升换热能力,Taylor流的平均Nu数相比单相水流动提高了约1.8倍。局部换热系数可以划分为四个区域,在循环强度较大的气泡两端过渡区域,局部换热系数急剧上升。换热系数随着混合速度的增加而增加,随着含气率的增加而减小。低混合速度下,内循环流场强度降低,温度场分布不再对称。提出新型T型渐扩接头结构,提高了微通道内气-液Taylor流的换热能力。通过搭建微小通道流动换热可视化实验系统、建立Taylor流下三维共轭换热数值模型,系统的研究了 T型渐扩接头对固定截面方形微通道内Taylor流的动力学行为和换热特性的影响。结果表明:T型渐扩接头可以明显提高Taylor气泡生成频率,进而在不改变流动参数的情况下生成更短的气泡和液弹。这一方面使得连续相流体被分隔为更多部分,减小了轴向混合。另一方面缩短了单个液弹的内循环流动时间,使液体与壁面接触更频繁,进而显著提高了传热速率。系统评估了 Taylor流下微通道的整体换热性能,发现当含气率等于0.5时,渐扩接头对微通道综合换热性能的提升最为明显。得到了预测方形通道内Taylor流换热的Nu数经验关联式,关联式平均预测误差为11.77%。模拟研究结果表明:渐扩接头可以缩短绝对内循环时间,明显降低壁温并使通道上方流体更快被加热。液弹较长时,内循环正向流动的速度分布同经典泊肃叶速度分布类似,随着液弹长度减小,液弹内出现沿通道中心对称的次级涡,且液弹长度越小次级涡所占范围越大。方形通道内存在的“泄露流”会使通道边角位置温度降低,但气泡尾部形成的涡流阻碍了“泄露流”向前流动,致使其对换热造成的影响有限。提出新型分支微通道,可以将单一通道内Taylor流动分裂为多通道Taylor流动。通过实验分析了气-液Taylor流在分支通道内的气泡分裂过程、气泡速度、流型分布、子气泡聚并特征和换热特性。气泡在分支通道中的分裂过程分为挤压阶段,颈部断裂阶段和脱落阶段。二分支通道内的子气泡速度并不完全相同,尤其是在混合速度较大的情况下,分支通道内的子气泡存在明显速度差,致使Taylor流型交错分布,子气泡在通道尾部不一定会发生聚并。三分支通道内子气泡速度受含气率影响较大,中间分支通道的气泡速度明显高于其他两个通道,致使分支通道尾发生聚并的气泡并不一定来自同一个母气泡。分支通道能有效提高Taylor流下微通道的换热能力,例如二分支通道相比于单相水流动和传统Taylor流动,平均换热系数分别提高了 157%和48.1%,同时发现含气率对分支通道换热性能提升效果的影响变弱。液-液Taylor流在微流控系统中同样占据着重要的地位。本文基于实验和数值模拟相结合的方法对微小圆管内液-液两相流型,液塞动力学特性和换热特性开展了系统的研究。观察到五种液-液两相流型:滴状流、弹状流（Taylor流）、联结弹状流、环状流和分层流。在液-液Taylor流型下,定义了表征液塞形状的三个无量纲参数,发现随着Ca数的增加,液塞头部直径减小,尾部直径增加,并给出了尾部半月面曲率变为0时的转换边界。指出液塞头尾直径比与两相Ca数满足线性关系,可以在Ca数已知的情况下,预测液塞形状。提出了新的液塞长度预测关联式,关联式预测结果同本实验和文献报道中的数据均吻合良好。液-液Taylor流的平均Nu数随着Re数的增加而增加,随液塞长度的增加而减小,优化液塞长度可以使Nu数提高近26%。数值模拟结果发现,低Pe数下的液-液Taylor流动由于扩散效应显著,温度场不再具有内循环带来的显著特征。建立了同时考虑壁面与液膜、液膜与液塞、液膜与液弹和液塞与液弹间横向热扩散效应的热换模型,发现液塞两端相界面处存在明显的热量传递。