管翅式换热器作为紧凑型,传热单元高的热能交换器,被广泛应用于化工设备换热,电子设备冷却,以及航空航天等前沿领域,其结构的创新优化设计是促进这些领域跨越式发展的重要引擎。本文以管翅式换热器为对象,基于场协同理论,结合拓扑优化方法和多目标遗传优化算法对其进行结构优化设计,并对新型拓扑翅片的结构性能强化机理进行探究。本文主要研究内容和结论如下:（1）在有限元法的基础上采用MMA算法并通过多孔介质模型实现管翅式换热器拓扑优化。优化过程中,改进过滤与投影技术来解决数值不稳定现象。结果表明:随着雷诺数和产热系数的增加,拓扑优化结构的流道分支增加,从而能够很好地整合不同工况下的传热性能和流动性能。（2）在二维拓扑优化结果基础上,提出新型开缝翅片结构。利用数值计算,以努塞尔数（Nu）,阻力系数（f）,综合性能指标（PEC）和场协同数（Fc）为优化评价指标对新型开缝翅片和三种传统翅片结构进行分析研究。结果表明:与传统翅片结构相比,新型开缝翅片所特有的流线型小翼对降低流阻,增强换热有显著作用,其综合性能指标和场协同数最高可分别增加12.7%和31.28%。（3）基于遗传算法对新型开缝翅片的小翼倾斜角度进行多目标优化。以场协同数Fc和综合性能指标PEC最大为目标,进行自动寻优并获得最优Pareto解集。并基于单因素和响应面,分析对于小翼倾斜角度在流动性能、传热性能以及场协同方面的影响。结果表明:优化后的倾斜小翼能够合理引导流体流动方向,从而显著减少管壁之间的流动死区,增强翅片性能。与优化前垂直小翼相比,优化后翅片的努塞尔数Nu,阻力系数f,综合性能指标PEC和场协同数Fc分别提高76.22%,8.53%,81.38%,59.04%。（4）基于拓扑优化理论改进共轭方程并对其进行无量纲化和灵敏度分析。以单位换热量最大为目标实现管翅式换热器三维拓扑优化,并得出最优3D拓扑结构（Structure1）。将Structure1与多目标优化开缝翅片（Structure2）和传统矩形小翼翅片（Structure3）的性能进行定量对比,并对传热和流动性能进行研究。结果表明:在综合性能和场协同方面,Structure1分别比Structure2高出7.34%和25.63%,而Structure2比Structure3分别高出70.48%和61.78%。