面对日益严竣的能源问题，节能降耗成为当今社会亟待解决的焦点问题，与此同时，强化传热新技术也得到了更为广泛的关注。流体诱导振动强化传热作为一种新型无源复合强化传热技术，改变了传统的管壳式换热器管束固定支撑结构，通过悬臂式平面弹性管束作为传热元件，依靠流体绕流弹性管束时诱发的管束自激振动提高传热效率，降低污垢热阻渐进值，从而实现复合强化传热。流体诱导振动强化传热技术拓展了强化传热研究领域，为无源强化传热技术的研究开辟了新方向。本文针对弹性管束换热器内流体诱导振动与强化传热，从弹性传热元件的结构切入研究，提出了一类新型空间锥形螺旋式弹性管束及其相应的支撑结构，并从管束固有振动特性、管程流固耦合振动特性、壳程流体诱导振动特性以及传热特性等方面对该新型管束进行了系统的研究，并与近似尺寸下的平面弹性管束进行了全面的对比分析，以期为流体诱导振动强化传热技术的进一步研究与推广应用提供理论和实验依据。　　 1)锥螺旋管束固有振动特性分析　　 在平面弹性管束研究的基础上，提出了一类锥螺旋弹性传热元件及其支撑方式，包括单螺旋管束、双螺旋管束以及固定、浮动支撑方式。基于锤击法实验研究了空间锥螺旋管束的固有模态特性，分别从时域、频域拟合了实验数据，分析了管束的固有频率和振型特点。在相同的壳体尺寸条件下，对比了空间锥螺旋管束、平面弹性管束的固有频率以及振型特点。平面弹性管束固有频率较高，其振型包括面内振动和面外振动，依次交替;空间锥螺旋管束固有频率较低，其振型较为单一，以纵向振动为主，横向振动较少。　　 基于动态子结构理论，采用固定界面模态综合法理论计算了管柬结构参数（螺距、锥度、截面厚径比、自由端质量等）对单排空间锥螺旋管束固有频率的影响规律;计算了多排空间锥螺旋管束的固有振动特性。在本文研究的参数范围内，空间锥螺旋管束的结构参数对其固有频率有不同程度的影响。多排空间锥螺旋管束的振型复杂，每一阶振型对应一个频率带，其第n阶固有振动大约包含2n个固有频率。　　 在管束固有振动特性研究的基础上，对比分析了空间锥螺旋管束和平面弹性管束的应力分布特性，研究了两种弹性管束的应力分布特点。空间锥螺旋管束的应力分布均匀，平面弹性管束应力集中现象严重。在管束自由端相同振幅条件下，空间锥螺旋管束的最大应力仅为平面弹性管束的1/4左右。　　 2)锥螺旋管束管程流固耦合振动研究　　 理论计算了锥螺旋管束、平面弹性管束在管程流体流动时的振动特性。统一了管束单元坐标，修正了管束单元矩阵，建立了两种弹性管束振动状态方程，并通过实验、模拟两方面验证了管程静止流体作用下管束的固有频率变化。弹性管束在管程静止流体作用下，其固有频率下降约10％左右。随着管内流体流速的增大，管束的固有频率随之下降，尤其是低阶固有频率下降较快。　　 在此基础上，求解了两种弹性管束在管程流体流动时的临界失稳流速。由于空间锥螺旋管束自身的固有频率较低，其振动失稳的临界流速小于近似尺寸下的平面弹性管束。同时，两种弹性管束的临界失稳流速均远高于弹性管束换热器正常工作时的管程流速。　　 3)锥螺旋管束壳程流体诱导振动研究　　 基于流固耦合模拟技术研究了二维弹性支撑圆管在不同流速、不同质量比时的横向和纵向振动特征。在此基础上，理论计算了空间锥螺旋管束在一定壳程流速下的横向振动模态特性。通过计算管束单元在壳程流体激励下的节点位移，求解了管束单元的阻力系数，计算了每个单元的附加质量，通过迭代计算分析了管束横向振动频率变化。　　 搭建了弹性管束换热器流体诱导振动测试实验台，实验测试了空间锥螺旋管束在一定流速范围内的纵向振动频率，拟合了管束的工作模态。在实验测试的管束尺寸及壳程流速范围内，空间锥螺旋管束工作模态频率随流速的增加而降低，尤其是第一阶频率降幅较大，降幅约30％左右;相对于第一阶频率，管束的高阶频率略有下降，降幅较小。空间锥螺旋管束的振动频率处于第一、第二阶模态频率之间。在一定流速范围内，管束振幅增长较为缓慢;超过一定流速时，管束的振动幅值明显增大，并随着流速的提高迅速增大。　　 4)锥螺旋管束管程流动与传热特性研究　　 模拟分析了空间锥螺旋管束的管程二次流动分布与传热性能，分析了不同形状椭圆截面对管束传热性能的影响。空间锥螺旋管束的锥度对其传热性能的影响最大，而螺旋节距对管束的传热性能影响很小，可以忽略不计。在相同的截面面积条件下，圆截面管束的表面传热系数最高，椭圆截面略有降低。对比两种不同椭圆截面管束的传热性能表明，截面长短轴之比a/b＞1时，其传热性能优于a/b＜1的情况。　　 拟合了锥螺旋管束在层流和湍流下的传热与压降关联式，分析了弹性管束管程入口脉动流动对其传热性能的影响。由于弹性管束较长，在管程流动中脉动流逐渐削弱并消失，导致管程脉动流对管束传热性能的影响很小。　　 基于场协同理论，采用UDF编程计算了空间锥螺旋管束管内速度、速度梯度、温度梯度和压力梯度各矢量间的协同情况，分析了反映管束强化传热性能的协同角β、压降损失协同角θ以及综合性能协同角γ的变化规律，并与光管和细杆内插物强化传热管进行比较。空间锥螺旋管束的强化传热协同角β大于细杆内插物强化管束，其阻力性能协同角θ小于细杆内插物强化传热管束。从综合性能PEC值分析，在较低的流速下，空间锥螺旋管束的综合性能协同角γ远大于细杆内插物强化传热管束以及光管，表明空间锥螺旋管束综合性能优越。　　 对比分析了空间锥螺旋管束、平面弹性管束在层流和湍流条件下的传热与压降特性。空间锥螺旋管束的单位面积传热量明显高于平面弹性管束，其单位长度压降也略有增大;从综合性能分析，在管程流动条件下，空间锥螺旋管束的综合性能PEC值是平面弹性管束的1.4-1.6倍。