换热器作为进行热量交换而实现加热或冷却的通用设备,在能源有效利用过程中起着至关重要的作用。目前,换热设备中广泛采用的是易加工且承压能力强的圆管,但是流体横掠圆管时,会发生大范围的边界层分离,在尾部形成较宽的分离区,造成较大的压降损失,严重时会引起振动,造成直接破坏。处于节能及一些特殊的需要,具有细长形状的流线形管引起了人们的兴趣。本文提出一种具有良好流线外形的换热管——半椭圆管,并通过数值计算和实验方法对其流动和换热性能进行研究。通过数值模拟,对空气横掠长、短轴比L/D=1(圆管),1.5,2,3,4,5的六种不同形状半椭圆管的换热和流动特性进行了研究。结果表明：不同Re数下的最佳换热管型是不同的；Re≥8000时,L/D=-2时平均表面换热系数最高；Re<8000时,L/D=1.5时平均表面换热系数最高。相同Re数下,L/D越大,半椭圆管阻力系数越小,但是L/D过大,管子的换热也会变差。根据数值模拟结果,拟合得到不同管型半椭圆管的Nu数与Re数间的准则式,为工程实践和理论研究提供了依据。通过对流动和换热综合性能评价指标j/f随L/D和Re数的变化规律进行分析,得出不同Re数下的最佳换热管型：Re=3984时,L/D≈3.5的半椭圆管的j/f值最高,即对流换热的综合性能最好；Re=47809时,对流换热性能最好的管型为L/D≈2.2的半椭圆管。在本文数值模拟的Re数范围内,L/D=2时半椭圆管的管外对流换热系数比相应的圆管高约7%-44.3%,阻力系数仅为圆管的32%-53%。根据场协同理论,计算了半椭圆管(L/D=-2)壁面边界层内平均场协同角沿换热表面的分布,并与相同条件下的圆管作了比较。经计算：Re=31872时,L/D=2的半椭圆管换热面上的平均协同角为88.6°,圆管为89.3°,表明半椭圆管表面速度矢量与温度梯度的平均协同程度较好,可以进一步解释半椭圆管的强化传热机理。通过搭建风洞实验台,研究了L/D=1,2,3,4四种管型半椭圆管的管外平均表面传热系数及阻力系数,与数值模拟结果进行比较后发现：实验研究和数值模拟得到的管外Nu数和阻力系数f随Re数的变化趋势一致,且数据的接近程度在误差允许的范围内,证明了数值模拟的可靠性。通过数值模拟对空气横掠L/D=-2的半椭圆管光滑管束的换热和流动特性进行了分析,并与相同排列的圆管管束和椭圆管束进行比较。结果表明：在本文研究的Re数范围内,半椭圆管束和椭圆管束的换热性能均高于相应的圆管管束；Re<1.2×104时,叉排半椭圆管束的换热系数低于相同排列的椭圆管束,Re≥1.2×104时,其换热系数高于椭圆管束,而且差值随Re数的增加而变大。叉排半椭圆管束的管外对流换热系数比相应的圆管管束高约8.3%-29%,阻力系数仅为圆管管束的53%-63%,因此,使用具有流线形的半椭圆管,可以收到强化传热及降低流阻的双重效果。根据场协同原理进一步分析了半椭圆管束的强化传热机理,计算了半椭圆管束(L/D=2)、椭圆管束和圆管管束中各排管边界层内的平均场协同角分布。Re=23904时半椭圆管束的平均协同角为88.1。,椭圆管为88.4°,圆管为88.6°,可以看出,半椭圆管管束外各排管外边界层内流体的流动速度和温度梯度矢量的协同程度最好,是该管具有良好换热性能的原因。