工质的流动和传热是动力、核能、制冷、化工、石油、航天航空等行业中的常见过程,在这些行业的换热设备中广泛存在着各种各样的传热问题。在积极开展余热回收以及节能减排工作的过程中,可供开发的新能源中也存在着大量的传热问题。因此,本文通过对管内对流换热过程进行理论分析、数值计算以及实验验证,在基于流体传热强化理论的支撑下,寻找并发现了使得换热增强但阻力增加不大的多纵向涡结构的强化传热元件。本文针对对流换热过程中的不可逆过程,在已有的最小熵产优化原理和最小火积耗散优化原理的基础上,分析了对流换热过程中可用能的传递,提出了同时基于热力学第一定律和热力学第二定律的可用能损失评价方法,该方法优势在于可用能的量纲单位与能量的量纲单位一致,因此可以很好地理解和解释对流换热过程中不可逆损失。针对管内层流和湍流换热,分析了流体质点矢量物理量的协同性,揭示了对流换热多场协同规律与强化传热机理之间的关系,提出了评价强化传热综合性能的效能评价系数EEC,同时,基于协同角α、β、γ、θ、η,初建了判断层流和湍流强化传热性能的统一评价体系以及相应的评价指标,并通过神经网络模型建立了场物理量协同与效能评价系数EEC值之间的关系,利用遗传算法在一定场物理量协同变化范围内寻找强化传热综合性能最优的场物理量协同组合。不同于传统的基于表面强化传热的思想,本文基于流体强化传热的思想,结合对流换热过程的不可逆性优化得到的多纵向旋流结构,进行了一系列管内插入物的数值模拟研究,并对数值模拟结果进行了综合传热性能、多场协同、熵产分析等评价工作。在管内插入螺旋片结构可以在管内形成单个纵向旋流,在Reynolds数为4000-12000的范围内,其综合传热性能可以达到1.58-2.35。对管内插入多个扭带的传热与流动特性的数值模拟研究可知,三个或者四个扭带可以在管内形成三个或者四个纵向涡结构,在层流条件下,其PEC值最高可以达到2.5。多个螺旋片插入物同样可以在管内形成多纵向涡结构,进一步验证了管内多涡结构可以有效地提高传热综合性能,在层流下,其PEC值可达到2.90-5.10,并对管内插入多个螺旋片的数值计算进行场协同分析,多纵向涡的存在改善了对流换热的速度场和温度场的协同程度。四个三角翼型纵向涡发生器在一定的尺寸配合下,插入管内可以形成内四涡外四涡的八个纵向涡的流场结构,其综合传热性能PEC值最高可以达到2.9。通过对管内插入五星杆结构的传热与流动特性的数值研究可知,在管内插入五星杆结构可以成功地在管内形成十个纵向涡的流场结构,这种流场结构同样可以很好地对流场进行扰动,其综合传热性能PEC值最大可以达到3.5。这些管内插入结构可以对换热器的改造和设计提供指导意义。根据理论分析和数值模拟的结果,本文通过实验证明了管内插入四个纵向涡发生器是一种有效的强化传热方式,相比光管而言,在Reynolds数为3000-19000的范围内,其(?)Nusselt数增加了1.20-2.93倍,阻力系数增加了3.5-6.5倍；强化管换热系数增加的倍数会随着纵向涡发生器间距的增大和攻角的减小而减小；而阻力系数增加的倍数会随着Reynolds数的变化出现先减小后增大的情况,而且也会随着纵向涡发生器间距的增大和攻角的减小而减小。在湍流条件下,其综合传热性能PEC值最高可以达到1.65,取得了良好的综合传热效果,说明这种多纵向涡结构可以在增加换热的同时使阻力增加不大。