随着经济的发展,能源问题日渐突出,节能减排成为国家重大发展战略之一。换热器是一种常见的热质交换设备,在工业中应用较为广泛。采用强化传热技术能够提高换热器的传热性能,但往往会增加额外的功耗,从而削弱节能效果。本文基于优化原理得到的纵向旋流结构,结合被动强化传热技术设计经验,开发了适用于不同工况下的管内扰流元件,并通过数值模拟与实验研究了相关流动与换热性能。针对层流工况换热特点,设计了引流式涡发生器结构。数值模拟结果与PIV实验表明,引流式涡发生器能够有效产生多对纵向涡结构,并引导流体冲刷壁面,是一种性能较好的扰流元件。同时,模拟研究了涡发生器间距、中心角以及涡片高度对流动与换热性能的影响。结果表明,换热能力和摩擦阻力均随着间距的增大而减小,随着中心角和涡片高度的增加而增加。此外,对涡发生器相关流动与传热参数进行了公式拟合,并进行了?效率分析。最后,采用相同泵功下性能因子R3值作为评价指标,发现R3值在等效层流区域中较高,在过渡流区域中表现一般。针对湍流工况换热特点,设计了小翼涡发生器结构。模拟研究发现,小翼涡发生器同样能够产生多对纵向涡结构。同时,研究了矩形小翼涡发生器攻角以及间距对流动与换热性能的影响。结果表明,换热提升倍数随雷诺数和节距的增大而减小,攻角α=45°的换热能力最好。阻力提升倍数随雷诺数和攻角的增大而增大,随着节距的增大而减小。另外研究了穿孔对小翼性能的影响,穿孔结构在降低阻力的同时,综合换热性能也相应降低。在矩形小翼的基础上,进一步探究了小翼的形状、数量、攻角以及周向排布方式对流动与换热的影响。最后,对比了相同工况下各种涡发生器综合换热性能PEC,发现小翼涡发生器结构具有良好的性能。