管壳式换热器占据着换热器市场的30%～40%,在电厂热力系统、冶金、炼钢、制冷、化学、尤其是新能源领域等工业中应用极为广泛。如何提高管壳式换热器的换热性能对于这些高耗能行业的节能具有重要的意义,符合国家在2020年发布的《新时代的中国能源发展》白皮书中明确指出要着力推动能源清洁高效开发利用技术融合创新及加强能源领域基础研究和共性技术的要求。本文研究了逆流U型管给水加热器中半圆柱空间梯式螺旋折流板强化单相传热流动和插入倾斜丝网引流管强化水平管冷凝传热与两相流动性能的复合传热过程,以解决传统U型管换热器弓形折流板内存在流动死区和管外壁凝结液难以排除的问题,提高其换热系数和综合性能。论文主要研究内容和成果如下:（1）针对现有螺旋折流板换热器只适合于圆柱形空间的局限而逆流U型管束换热器需要在半圆柱空间流动与传热的特点,建立了针对逆流U型管给水加热器半圆柱空间设计的梯式螺旋折流板通道内过冷段和过热蒸汽冷却段模型。采用数值模拟手段,深入研究了梯式螺旋通道内流动与传热及表面温度均匀性特性。数值模拟结果研究表明,与传统的双弓形、弓形折流板换热器内的横向主导流动及蛋格支撑板换热器内的轴向主导流动相比,梯式螺旋折流板换热器具有更高的传热系数和更好的温度与速度均匀性,过热蒸汽或过冷水沿半圆柱空间的螺旋形通道形成螺旋流动并伴有二次涡旋。揭示了折弯构造及两组折流板重叠搭接方式有助于抑制捷径漏流,并引导流体从上游通道到下游通道螺旋流动并产生混合或位置交换,从而改善了传热特性。（2）数值模拟对比研究了单梯折弯式、单梯斜板式和双斜板式半圆柱空间的螺旋折流板换热器方案,模拟结果分析对比了疏水冷却段过冷水冷却过程各方案的速度场、压力场和温度场,重点分析了壳侧换热系数、壳侧压降特性及综合指标。数值结果表明,在壳侧温度为510-683 K、压力6.45-6.5 MPa、轴向雷诺数Rez,o为16949-90948的研究范围内,倾斜角较小而折流板法向间距较大的单梯斜板式折流板方案具有较大的流动横截面积、较低的流速和较高的综合指标;单梯折弯式螺旋折流板方案中倾斜角不同的几何构造对传热系数的影响较小,但对压降和综合指标的影响较大。对于给定的折流板间距,具有更大倾斜角或更短倾斜段的单梯折弯式螺旋折流板方案具有较高的换热系数,但其压降亦更高;单梯斜板式折流板方案具有最小的倾斜角或最长的倾斜段投影长度和较低的压降,从制造较方便和最高综合指标的角度建议采用该方案。（3）对过热蒸汽冷却段的壳侧进口流量0.361-0.722 kg/s、温度550-683 K、压力6.45-6.5 MPa、轴向雷诺数Rez,o为43280-90948的研究范围内,梯式螺旋折流板方案的壳侧换热系数均大于同条件双弓形方案和蛋格支撑板方案。梯式螺旋折流板换热器比相同条件下相应的双弓形折流板方案传热系数平均提高了2.99%,比相同条件下相应的双弓形方案压降平均降低52.95%,综合指标hoΔpo-1和hoΔpo-1/3平均升高140.5%和36.3%。双斜板式折流板方案在所有模型中都显示出最低的壳侧压降和欧拉数优势,双斜板式方案H*-V的综合指标hoΔpo-1和hoΔpo-1/3与相应单梯式方案H*-72的比值平均值分别为1.867/1.133,与相应单梯斜板式方案H*-\的比值平均值分别为1.207/1.034。（4）搭建了半圆柱空间逆流U型管给水加热器换热器试验系统,对实验结果与数值模型计算结果进行比较分析,验证了数值模型与方法的可靠性。实验结果表明,相同工况条件下,单梯折弯式螺旋折流板换热器和单梯斜板式折流板换热器的壳侧换热系数分别相比弓形折流板换热器平均提高5.45%和1.13%,压降分别相比弓形折流板换热器平均降低7.01%和14.53%,验证了逆流U型管梯式螺旋折流板换热器较优越的强化传热性能。（5）对逆流U型管给水加热器蒸汽凝结段水平管束外冷凝传热,提出了在管束管排之间斜置金属丝网引流管方案,以减小凝结液膜厚度和加速凝结液排泄,建立了水平单管外置入金属丝网引流管时流动冷凝的二维和三维物理模型。基于SST k-ω湍流模型、VOF两相流模型和用户自定义质量传递过程,分别对比了单根水平圆管表面液膜和水平单管外置入金属丝网引流管时的流动和局部传热传质规律。计算结果显示CFD模拟数据与Nusselt修正结果能较好地吻合,二维模型和三维模型偏差分别小于11.6%和5.1%。通过展示液膜厚度沿圆周角分布及气相体积分布云图和温度分布云图的相似趋势,验证了模型的准确性。二维非稳态模拟结果显示丝网引流管内温度和液膜厚度呈波动变化,气相体积分数逐渐降低;三维稳态模拟结果显示,管外插入金属丝网引流管后传热管表面液膜厚度和液体体积分数都降低。结果表明丝网引流管微孔结构能够利用毛细作用使冷凝液在表面张力和重力作用下由水平管壁迅速流至丝网管表面,有效减薄传热管壁外液膜厚度。数值模拟结果显示插入金属丝网引流管方案的传热管表面局部换热系数比水平光管平均增加12%,因此在水平管外插入金属丝网引流管能提高该管外换热系数,为水平管束外和凝结段冷凝强化传热提供理论参考。