能源的高效转化与利用是实现“碳达峰、碳中和”战略目标的重要环节。在节能减排需求的驱使下,研发紧凑化、高效率的换热设备受到了高度重视。常用的强化传热技术有改变流道表面结构、添加纵向涡发生器等,基本原理均为通过各种手段产生旋涡来改变壁面附近的流场结构,减薄或破坏壁面边界层以增加流体的扰动,增强冷热流体混合,从而促进热量传递。小型换热装置的特征长度相对较小,其在工作时通常处于低雷诺数的层流流动状态,然而这种流动状态并不利于换热效率的提升。应用适当的强化措施形成周期性旋涡,破坏壁面边界层,使层流流动提前进入过渡流状态,能够有效地提升小型换热装置的传热性能。因此,研究过渡流状态下的周期性旋涡对近壁面流动及传热性能的影响机制具有重要意义。近壁圆柱绕流的实验以及数值模拟可直观地研究壁面附近周期性旋涡对强化传热的作用机制,因此选择近壁圆柱绕流模型来系统地研究过渡流状态下周期性旋涡对壁面流动及传热性能的影响,以期揭示高效小型换热装置强化传热的机理。应用FORTRAN语言,基于有限容积法构建了近壁圆柱绕流的数值计算模型,搭建了低速循环水槽流动实验台,开展了数值计算和可视化流动实验的对比研究,分析了在过渡流范围内不同工况下的近壁圆柱绕流流动传热特征,揭示了周期性旋涡强化壁面传热的作用机理,指出了提高传热性能和降低摩擦阻力的关键要素。主要研究工作如下:（1）分析雷诺数（50≤Re≤1200）对近壁圆柱绕流的流动及传热的影响规律。雷诺数较小时,流动表现为层流特性。除圆柱下方壁面由于流体加速导致的传热增强,圆柱下游壁面传热没有得到强化,反而由于绕流削弱了传热;雷诺数增大到一定值（其大小与几何参数有关）时,圆柱尾流开始出现波动,流场进入过渡流状态。此时,尾流中出现周期性旋涡脱落,在与壁面边界层的相互作用下提高了圆柱下游局部壁面强化传热性能,且提高幅度明显。研究结果表明,近壁圆柱绕流可以使壁面附近流场在较小雷诺数（Re=80左右）下提前进入到过渡流状态,流动从层流进入过渡流状态后,圆柱下游局部壁面有明显的传热强化和摩擦阻力减小,该区域的时均流动传热与摩擦阻力存在非相似性。（2）探究近壁圆柱绕流中几何参数（间隙比和阻塞比）对流动和传热的作用规律。首先,揭示了不同间隙比时的流动传热特性,发现雷诺数和阻塞比保持不变时存在一个最佳间隙比,能使壁面强化传热达到最佳。当间隙比较小时,尾流中旋涡脱落被壁面抑制,涡脱频率很小,圆柱下游壁面传热没有得到强化;当间隙比适中时,圆柱尾流中出现周期性旋涡脱落,且旋涡强度和脱落频率随着间隙比的增加而增大,在最佳间隙比时达到最大后保持不变,圆柱下游壁面传热强化、摩擦阻力减小;当间隙比继续增大时,圆柱远离壁面,壁面效应逐渐减小,尾流开始逐渐呈现出无壁面均匀流中圆柱绕流的流动模式,涡脱频率小幅减小后不再改变,壁面强化传热逐渐减弱。然后,通过比较不同阻塞比时流动传热特性,发现壁面强化传热具有区域性,当阻塞比越大时,圆柱与壁面间流体的速度也越大,尾流中周期性旋涡越强,则壁面强化传热的区域及效果越大。在来流速度相同的流动条件下,阻塞比越大则最佳间隙比趋小。（3）近壁圆柱绕流的周期性流动传热特性研究。在典型过渡流工况下,对一个波动周期内八个均分时刻的各种瞬时值进行分析。发现圆柱尾流和壁面边界层之间的相互作用,是导致圆柱下游局部壁面传热强化以及摩擦阻力减小的主要原因。在壁面效应的作用下,圆柱尾流中交替出现的正负涡产生了交叉运动,顺时针旋转的负涡脱落后向着下壁面方向运动,当其接触到顺时针运动的下壁面边界层的岛状突起时,在相互作用中,把冷流体带入,热流体带离壁面。这揭示了近壁圆柱绕流流场中圆柱下游局部壁面强化传热的主要机制。在圆柱尾流的作用下,下壁面边界层向上形成具有顺时针运动的岛状突起和具有顺时针旋转运动的近壁涡,它们均能把流体从下游推向上游近壁区域,使得该处流向速度减小,摩擦减小,其中顺时针旋转的近壁涡引起的摩擦阻力减小更为显著。这解释了近壁圆柱绕流流场中圆柱下游局部壁面摩擦阻力减小的主要原因。（4）对过渡流范围内近壁圆柱绕流各个工况下的强化传热性能的综合评价。采用强化传热综合性能评价系数对强化传热性能进行综合评价,所得结论支持关于最佳间隙比的各个结论:雷诺数和阻塞比固定不变时存在最佳间隙比,使得壁面强化传热达到最佳;过渡流范围内,雷诺数越大,最佳间隙比越小;相同来流速度下,阻塞比越大,最佳间隙比越小。