随着我国经济的飞速发展，能源和环境问题也日益严重，通过提高能源利用率，落实节能减排，对经济可持续发展至关重要。热能作为能源存在的形式之一，其传递与转换过程广泛存在于各大工业领域。换热器为对流换热进行的主要场所，因此发展强化传热技术对实现换热器的高效率具有重要意义。本文将以单管内对流换热过程为研究对象，开发新型管内扰流技术。我们通过数值模拟方法展开对流场结构、强化机理及不可逆性的分析研究工作，并根据理论指导对扰流元件进行优化设计。
　　本文介绍了可用势的概念，并推导了可用势平衡方程，得到局部?损率的表达式，并分析了可用势与?损之间的联系。本文进一步阐述了传热?损和流动?损作为表征传热和流动不可逆性的具体含义，并分析了从?损最小化原理出发进行相关强化技术的优化设计的科学性和可行性。
　　基于优化理论获得的多涡纵向旋流最优流场，本文提出了中心倾斜导流器作为一种新型管内插入物，在雷诺数为300到1500的工况下进行了数值模拟，并研究了节距(P)，倾斜角(α)和弯曲直径(d)等3个几何参数对水力热工性能的影响。结果表明，新型插入物可实现将流体从核心区引流到管壁附近，并在管中诱导产生多涡纵向旋流，进而在可接受的压降范围内增强换热。同时，本文还对管内对流换热进行基于热力学第二定律的?损分析，并计算得到管内平均传热?损和流动?损。与光滑管相比，努谢尔特数增加了2.51—9.46倍，摩擦系数增加了2.48—10.77倍，综合性能评估系数在0.92—1.56之间，传热?损减少了4.82—10.56倍，流动?损增加到3.78—12.50倍。
　　本文提出了将?损最小化原理应用到具体的强化传热元件优化设计的可行方法。具体地，根据理论指导，定义传热?损和流动?损比率为优化目标，并通过遗传算法结合人工神经网络进行多目标优化，并给出多种从帕累托前沿上根据不同原则选取设计点的方法。其中，通过TOPSIS决策手段获得帕累托前沿上的折衷方案，优化结构(d=3.63mm，α=35.85o，P=67.89mm)的综合性能评估系数可达到1.32。优化结果表明，基于?损最小化原理的优化设计可获得较可观的综合性能。
　　本文将内肋管应用于强化超临界态CO2在管内的对流换热，在冷却边界条件下研究了P型和V型斜肋采用不同排布下对管内速度及温度场的影响。结果表明，光滑圆管内流场主要受到重力驱动的浮升力影响，而内肋管内流动换热同时受到扰流效果和浮升力影响。与光滑圆管相比，斜肋可在管内诱导形成多涡或单涡纵向旋流，有效促进管内流体的混合，提升壁面温度，降低壁面与流体间的传热温差，在定热流条件下对增强管内局部换热系数有显著效果。V型斜肋在管内形成多涡纵向旋流，P型斜肋则主要形成单涡流场，不同排布位置的斜肋产生的涡结构旋向不同。同时，本文对超临界态下的工质在管内的局部?损分布进行了分析。由于超临界态下工质物性变化沿程变化较大，在冷却边界条件下，管内传热?损沿程增加，流动?损沿程降低，这与常压态下工质所呈现的规律有明显差别。