能源供应局势的紧张及环境压力的不断增大,使得节能减排已经成为当今世界共同关注的一个焦点问题,因此发展并采用节能高效的传热强化技术对于节约能源,提高能源利用效率具有非常重要的意义。本文通过对低Re数对流换热特性的分析,提出了采用螺旋纤肋强化平板通道中对流换热的新方式,并对其强化换热的机理及传热特性进行了数值模拟和实验研究。对低Re数对流换热特性的分析发现,由于湍流强度较低时流体的温降发生在整个通道截面上,导致对流换热的热阻不仅存在于壁面附近,还存在于整个流体内部,所以只改变壁面附近的流动已经不能有效的强化传热,还需要增强对主流流体的扰动,以进一步增强其温度分布的均匀性。而螺旋纤肋在通道中等间隔排列可形成垫状的填充层,类似于大孔隙率的多孔介质,能同时增强对壁面流体和主流流体的扰动。基于上述分析,通过数值模拟对螺旋纤肋强化换热的机理进行了研究。数值模拟结果表明,螺旋纤肋由于其螺旋形的曲面造型,对绕流其肋丝的流体产生了非常有效的引导作用,在通道中诱导生成了包括前缘纵向涡、主流纵向涡、贴壁纵向涡及中心纵向涡等一系列纵向涡在内的多纵向涡流动。螺旋纤肋诱导生成的多纵向涡流动,一方面显著增大了流体在垂直于主流方向上的速度分量,使其可达主流平均速度的20%左右,有助于增强流体内部不同流层之间的微观脉动,另一方面纵向涡所产生的输运作用,增强了壁面与主流之间直接的质量交换,两方面因素既促进了壁面热量的快速迁移,又加快了流体内部的热量扩散,从而使得通道主流流体温度得到提升和均匀化。其中贴壁纵向涡可将主流流体直接输送到壁面附近热边界层以内,由此对热边界层产生的扰动使温度梯度在靠近壁面处出现跃升,相对于光滑通道最高可提升一个数量级。场协同分析的结果显示,截面内场协同角余弦绝对值较大的区域,受纵向涡流动的影响比较明显,不仅出现在壁面附近,还出现通道中间区域,因此螺旋纤肋诱导生成的多纵向涡流动,使整个通道内部的场协同性能均得到了明显改善,面内平均场协同角余弦值大幅提高,从而提高了通道内对流换热的整体性能。搭建了可视化流场测试实验台,通过粒子成像测速技术(PIV)对平板通道内置螺旋纤肋时的三维流动进行了测量,并在同一实验台上开展了流动显示实验。结果表明,螺旋纤肋可以在其下游诱导产生多纵向涡流动,形成了关于通道横截面中线近似对称的纵向涡阵列,在较低的Re数下诱发了通道中比较强烈的湍流扩散。由于纵向涡沿流动方向发展,对螺旋纤肋下游流体产生了持续的扰动,使下游截面上的速度分布得到了明显改善,实验涉及的Re数范围内(Re=225-2022),壁面附近流速较之光滑通道可提高60%以上,壁面法线方向上的速度分量可达主流平均速度的16%-22%左右。随Re数的增大,纵向涡因强度增加而变得平直,且更贴近壁面,增大了壁面附近的湍流强度。此外,相近参数下数值模拟与PIV测量所得流场结构的对比显示两者可以取得较好的一致性。在恒热流条件下,测试了以空气为介质时填充螺旋纤肋平板通道中的对流换热特性。测试结果表明,平板通道内填充螺旋纤肋可以显著地增强换热性能,相对于光滑通道可提高1-1.5倍。换热性能随螺旋纤肋排列间距的增加逐渐减小,而实验涉及的结构参数范围内,纤肋节距变化对空气对流换热性能的影响较小。流动阻力特性测试的结果表明,阻力系数随通道空隙率的增加逐渐减小,在Re数较高且空隙率比较接近时,排列间距较大的情况所对应的阻力系数较小。设计制作了螺旋纤肋板式换热器,并建立了板式换热器传热特性测试实验台,分别对螺旋纤肋板式换热器水-水换热、水-油换热情况下的传热及流动阻力特性进行了测试。实验结果表明,通道内填充螺旋纤肋是一种非常有效的强化传热方式,可以在较低的Re数下实现通道中比较充分的流体混合,消除了换热器因流道内换热不均而出现的出口温度波动现象；以水为工质时,在800<Re<13800的范围内,填充螺旋纤肋后通道表面传热系数提高了50-190%,综合传热性能提高了35-130%,且表现出在低Re数范围内提升幅度较大的特点；而以油为工质时,更是在相对较低的50<Re<800的范围内,便使表面传热系数提高了40%-160%,综合传热性能提高了20-150%。从而证实了螺旋纤肋对于低Re数对流换热,特别是高粘性流体的低Re对流换热具有明显的强化效果。此外,通过对实验数据的拟合,得到了流体在螺旋纤肋板式换热器内的对流传热特性准则方程和流动阻力特性准则方程,可以为该类型板式换热器的设计计算提供依据。