自20世纪以来,旋流强化传热技术对换热设备对流换热的研究有很大的促进作用。鉴于轴向叶片旋流器无运动部件,占用体积小以及安装维修简便,被认为是较为理想的旋流强化传热技术之一。由于内置旋流器会占据部分流道,给流动系统带来一定的压力损失,且容易堵塞管道,其应用范围也受到一定的限制。因此,本文从旋流管内重力轴向分力的改变以及旋流器全流场自由转动两个层面去考虑问题。相比于水平旋流流动,充分合理运用旋流流场与重力轴向分力相互作用的效果,探究引导重力更多地有效作用在流体间的流动微团混合规律。相比于传统固定间距式的旋流器,基于全流场自由转动的方式,适当降低并保持足够的旋流强度,大大改善并弥补传统固定式轴向叶片旋流管内流动换热的不足。同时,全流场自由转动能大幅度降低压损,并能有效维持整体的旋流强度梯度。本文提出了基于重力轴向分力改变以及全流场自由转动的两种新思路来解决当前旋流换热“阻力大、换热性能低、旋流扰动不均匀”的不足之处。基于本文的两种新思路,构建一个适用于两种新思路的轴向叶片旋流管道内流动的传热模型。使用ANSYS Fluent 16.0软件对本文的数值模型进行数值模拟仿真研究,探究不同的叶片角度、雷诺数以及进口水温对旋流管内的传热以及压降特性的影响规律,分析比较不同工况下旋流管内流场的变化规律。在重力轴向分力改变的流动下,其模拟结果表明:雷诺数的提高可以弥补静压能所带来的消极影响时,但继续增大雷诺数时,方位角流动阻碍的落差程度就不显著了;重力的辅助作用加强了旋流场的旋流强度,外部高速区域对内部低速区域流动起到保护作用。当全流场自由转动时,其模拟结果表明:与无转动类型相比,雷诺数越大,转动方式所带来的实际换热效果反而不显著,但对综合换热性能的影响程度比较显著;自由转动方式降低了高旋流强度的区域密度分布,使得边界层高湍动能区域的能量转移至内部区域,缓解了边界高湍流耗散率的局面,有利于适当地提高传热传质的作用效应,并使得流场趋于均匀换热的流场状况等等。这些模拟结果为旋流器后续的结构优化以及旋流管的换热效果和阻力程度预测提供一定程度上的理论指导。