就微型涡轮动力装置而言,相比于改进现有部件来提高气动热力循环参数,加装回热器是一种难度更小、效果更显著的方法,在简单热力循环中加入回热循环后,可使微型涡轮机的整机热效率提高10%以上。鉴于CW型原表面换热器结构紧凑、换热能力强的特点,可以将该类型换热器应用于微型涡轮机的回热系统,但关于该换热器工作机理与设计方法的研究还不成熟,因此有必要开展CW型原表面换热器微通道内流动特征与换热机理的研究,发展换热器设计方法,这对提高微型涡轮动力装置性能具有实际的工程意义。首先,本文使用包含低雷诺数k-ε模型、共轭传热、周期性边界条件等在内的数值计算方法,并发展了换热单元结构网格划分方法,最终结合已有研究验证了该数值方法的可靠性。通过探讨换热器流动换热机理及结构参数通道截面高宽比、流向周期结构参数、冷热通道当量直径比对换热器综合性能的影响规律,结果表明,流体在波纹通道内的二次流动及转向过程中对壁面边界层的削弱强化了换热,结构参数对换热器综合性能的影响有其特定的规律。其次,本文基于Kriging代理模型优化设计方法开展了换热器的设计工作,以换热器结构参数为设计变量,总传热系数K、空气范宁摩擦系数为优化目标,拉丁超立方抽样方法与遗传算法NSGA-II分别被用于样本采集及多目标寻优,此外,为了避免入口段效应的影响,通过流体充分发展验证确定了波纹通道长度,并采用留一法验证了训练得到的Kriging代理模型精度。通过筛选优化得到的Pareto解集,最终得到了满足设计要求的换热器结构,其回热度为86.3%,压力损失系数亦满足设计指标,这表明了将代理模型优化设计应用于原表面回热器的设计是可行的。微型涡轮装置的全环形回热系统由弯曲换热板叠加焊接而成,在前文的研究基础上,建立了渐开线型、不同参数的圆弧形单块弯曲换热板模型,并对各类型换热板的工作状况进行数值模拟,目的是为弯曲换热板的设计加工提供参考依据。研究发现,圆弧换热板的综合性能最好,且综合性能随着换热板的圆弧曲率增加而提高,故在全环形回热器的加工过程中,宜依据大曲率圆弧对换热板进行压弯。