采用传热强化技术提高能源利用效率对缓解中国所面临的日趋严峻的能源、环境和气候形势具有重要意义。应用传热强化技术使换热设备传热性能得到提高的同时往往会导致流动功耗增加,过多的流动消耗反过来会削弱传热强化带来的节能效果。因此,非常有必要研究高效的传热强化技术,以更好地平衡传热强化与流动功耗增加之间的矛盾关系。本文基于传热优化得到的最优速度场,提出了基于纵向旋流的管内单相对流传热强化技术。该技术的核心思想是通过一定的扰动方式形成具有纵向旋流特征的流场结构用于管内传热强化。该技术的关键是开发设计可以产生纵向旋流的扰动结构或者扰动方式。根据基于纵向旋流的管内单相对流传热强化技术,本文首先考虑利用管内插入物扰动流体以形成纵向旋流结构,提出了一种新型强化传热元件——涡杆,并对插有涡杆的管内层流传热和流动性能进行数值模拟研究。研究发现,涡杆可以使管内产生三对或者六个纵向旋流,这些旋流结构可以充分混合管内壁面附近和中心区域的流体,实现管内传热强化。通过多目标优化,内插涡杆传热强化管内努塞尔特数增加比率与摩擦因子增加比率的比值最大可以达到1.27。本文还对锥形片插入物的传热强化效果进行了数值模拟研究,并以努塞尔特数增加比率和摩擦因子增加比率为响应目标,采用响应曲面方法拟合得到了响应目标与设计参数之间的函数关系,分析了以上两个响应对设计变量的敏感度。结果表明,努塞尔特数增加比率对锥形片填充比和雷诺数的敏感性为正值,而对节距比的敏感性为负值;摩擦因子增加比率对雷诺数的敏感性为正值,但是对节距比和填充比的敏感性需要考虑节距比和填充比之间的交互作用然后进行判断。其次,本文考虑利用人工粗糙表面扰动流体以形成纵向旋流结构用于湍流传热强化,提出了一种新型的传热强化管——不连续槽管。当不连续槽倾斜布置时可使管内形成纵向旋流,充分混合管内的流体实现传热强化。参数化研究和熵产分析结果表明,在一定范围内,增加不连续槽倾斜角度、增加周向不连续槽的数量以及降低不连续槽节距比,不仅可以强化管内传热,而且可以降低传热过程的不可逆性。考虑到肋与槽具有类似的几何结构,本文又提出了利用不连续斜肋产生纵向旋流强化管内传热。重点研究了不连续斜肋排布方式对肋管内传热和流动性能的影响。研究结果表明,P型肋管内可形成单个纵向旋流,而V型肋管内可形成多个纵向旋流;相比P型肋管内形成的单纵向旋流,V型肋管内形成的多个纵向旋流可以更好的扰动管壁附近和中心区域的流体,获得较高的综合传热性能。综合不连续斜槽和不连续斜肋,本文还提出了利用不连续肋-槽组合形成纵向旋流强化管内传热。研究结果表明,在不连续肋-槽的作用下,管内可以形成纵向旋流;纵向旋流使得管内壁面附近和中心区域的流体得到充分的混合,因而管内的传热性能得到明显提升。管内处于湍流情况下,不连续肋-槽组合换热管内的传热性能是光滑圆管内的1.58-2.46倍,流动功耗则是1.82-5.03倍,综合性能PEC范围为1.19-1.68。最后,本文采用PIV实验对内插涡杆传热强化管、内插锥形片传热强化管以及不连续斜肋管内流场结构进行了测量,并分别与数值模拟结果进行了对比。PIV实验结果证实了以上传热强化管内形成的纵向旋流流场结构,并且对本文数值模拟结果的可靠性进行了较好的验证。整体而言,本文提出了基于纵向旋流的管内单相对流传热强化技术,并基于此技术提出了多种可以在管内产生纵向旋流的扰流元件如涡杆、不连续斜槽管等;此外,还通过PIV实验证实了纵向旋流是以上强化传热管内的主要流动特征。