充分利用传热强化技术来提升能源使用效率是应对中国所面临的日趋严峻的能源与环境问题的有效措施。作为重要的热质交换设备,在换热器中应用有效的强化传热技术对提升能源利用率具有重大意义。在换热器的使用中,对流换热是其基本的物理现象之一,围绕对流换热的研究对推动强化换热技术,提升热能利用效率具有重要的指导作用。基于此,本文对圆管内对流换热过程进行理论分析和数值计算,并通过实验对结果进行验证,在纵向涡流强化传热理论的支撑下,开发设计可以产生纵向涡流并提升换热器传热性能的强化传热元器件。根据纵向涡流强化传热理论,本文首先考虑使用管内插入物来扰动流体并诱导流体产生纵向涡流结构,提出了一种新式强化传热元件——组合式三角形翼涡流发生器,并通过数值模拟与实验探究相结合的方式对放置该涡流发生器的热管进行了传热和流动性能研究。结果表明,该涡流发生器能诱导管内流体形成六对纵向涡流结构,这些涡流可以将管内核心区域内的冷流体带入到近壁面区域,并将近壁面区域内的热流体挤压到核心流区,经过这些纵向涡流的持续运动,管内流体充分混合,温度逐渐均匀,换热效果得到了强化。经过对比分析,在本文研究的雷诺数中,内插该涡流发生器会将换热器的换热效率提升至1.19。涡流发生器在强化换热的同时,会不可避免的带来压力损失。涡流发生器后侧的再循环区域是其带来的压力损失的主要来源。因此,减小再循环区域的面积是降低压力损失,提升综合传热效率的主要方式。本文基于常用的矩形翼涡流发生器,通过在其表面开孔的方式来降低其带来的压力损失。在矩形翼涡流发生器表面开三种不同面积大小的矩形孔,并设计了三种不同涡流发生器的排列方式（全开孔涡流发生器,全无孔涡流发生器,开孔和无孔涡流发生器交叉排列）,对其在圆管内的热工性能进行了实验和数值模拟探究。结果表明,在涡流发生器表面开孔会降低其整体传热性能,但是也降低了其带来的压力损失。当开孔面积较大时,流体经过孔后形成强度较强的射流,涡流发生器后侧传热效果较差的再循环区域的面积被消除。但由于高强度的射流对涡流发生器产生主纵向涡流强度的削弱,这导致在涡流发生器下游区域内湍流强度减弱,传热性能降低。与全无孔涡流发生器相比,全有孔涡流发生器的排列方式获得了较好的综合传热效率,而有孔和无孔涡流发生器交叉排列的方式则介于两者之间。需要指出的是,当流体流经开孔涡流发生器时,流体会产生射流和低强度的主纵向涡流,两股流体混合后继续前进,经过无孔涡流发生器时,则形成了高强度的主纵向涡流,因此,管内流体会呈现主纵向涡流的强度由弱到强再到弱的周期性现象。综合比较而言,在涡流发生器表面开面积较小的孔且管道内全部插入有孔涡流发生器最有利于提升换热器的工作效率,最高的综合传热效率可以达到1.12。随后,通过数值模拟和实验探究相结合的方法探究了在矩形翼表面开不同参数的矩形孔的传热机理,分别探究了孔的位置、大小以及螺距对传热性能的影响。结果表明,当孔面积相同时,孔的位置越靠近壁面,综合传热效率越好。这是因为孔的位置越靠近壁面时,孔产生的射流强度越弱,射流对涡流发生器的主纵向涡流的影响越小,而且开孔还降低了涡流发生器带来的压力损失。综合而言,开孔提升了换热器的工作效率。当孔与壁面相连接时,孔的面积越大,更多的流体流经孔后形成高强度射流,显著削弱了涡流发生器的传热性能,虽然在涡流发生器表面开大面积的孔会显著降低其带来的压力损失,但是由于传热性能的剧烈降低而导致更差的综合传热效率。在所研究的参数下,最高的综合传热效率可达1.25。最后,为提升再循环区域内的传热效率,结合矩形孔的传热机理,提出了一种新型的涡流发生器——开孔三角形翼涡流发生器。该涡流发生器由倾斜放置的开矩形孔的三角形翼涡流发生器组合而成,通过数值模拟和实验探究相结合的方式探究了其在湍流状态下的热工性能。数值结果显示,通过涡流发生器对核心流体区流体的引导结合壁面附近区域产生的射流的共同作用,再循环区域内的传热效率显著提升,而且射流的产生还进一步降低了该涡流发生器带来的压力损失。当孔与壁面连接时,孔的宽度越宽,高度越低时,综合传热效率越好。在所研究的雷诺数下,其综合传热效率最高可以达到1.33。此外,使用熵产理论对所有章节的结果进行了分析,进一步验证了结论的准确性。