螺旋槽管是一种成本低、结构简单的高效换热元件,在能源、石油、化工等工业中得到了广泛应用。本文以螺旋槽管为研究对象,采用CFD数值模拟的方法对螺旋槽管的强化传热机理进行了探究,并采用基于遗传算法和代理模型的优化设计框架分别对单头和双头螺旋槽管的槽形进行了优化,获得了具有良好强化对流换热性能的优化螺旋槽管,验证了此优化设计框架的可靠性,为螺旋槽管强化换热性能优化研究提供新思路。本文通过数值模拟方法对比分析螺旋槽管和光管管内单相对流换热的流场特点,探究螺旋槽管的强化传热机理,并将数值模拟结果与前人实验结果进行验证,保证了数值模拟方法的可靠性。研究表明,螺旋槽管管内流体流动呈现螺旋式向前,在垂直于主流的横截面上产生了较大的二次流和较强的纵向涡。基于场协同理论分析发现,螺旋槽管管内的场协同角度比光管更小,其速度场和温度场的场协同性比光管更好,对流换热性能更好。本文提出了一种基于遗传算法和代理模型的螺旋槽管优化设计框架,以综合换热性能为优化目标,分别对单头和双头螺旋槽管的槽形状进行了优化,均获得了综合换热性能有较大提升的优化槽形螺旋槽管。优化研究采用基于控制点的样条曲线对螺旋槽管的槽形状进行参数化描述,利用正交实验设计、CFD计算获得的数据训练代理模型,并结合遗传算法寻求综合性能最优的槽形状。优化设计框架中采用代理模型替代大量的CFD计算,节约了计算资源,提高了优化过程的效率。本文还对比分析了优化螺旋槽管和原型螺旋槽管管内单相对流换热的流场特点和传热特性,研究发现,相比于原型螺旋槽管,优化槽形螺旋槽管的槽形状为扁平形,管内流场的二次流大小和纵向涡强度偏小,其湍动能分布较为均匀,流动阻力大幅降低;其场协同性能与原型螺旋槽管相当,换热能力与原型螺旋槽管相差不大。所以,优化槽形螺旋槽管的综合换热性能有较大提升。