随着全球工业化水平的提高,世界各国对于能源的需求日益增加,能源短缺问题也越来越严峻。除了调整能源结构、大力发展可再生清洁能源之外,提高现有能源的利用率对于我国实现可持续发展具有重要意义。换热器是一种常见的热量交换设备,广泛应用于工业生产中,而管壳式换热器是其中应用最为广泛的一类。因此,提高管壳式换热器的换热效率是提高能源利用率的有效举措。本文基于三叶孔折流板具有有效冲刷管壁的特点,将其与斜向流、螺旋流两种流动形式分别结合,设计了两种新型管壳式换热器结构,以实现管壳式换热器壳程的强化传热,并通过数值模拟与优化设计方法研究了这两种换热器结构壳程的流动与传热性能。将三叶孔折流板与斜向流相结合,设计了三叶孔倾斜折流板换热器。数值结果表明,该换热器可以显著改善流动死区,并大幅减小壳程压降,而换热性能有所降低,但综合性能得到了提升。同时,探究了折流板的倾斜角、三叶孔数量、缺口率等几何参数对该换热器壳程性能的影响。研究发现,倾斜角对壳程性能影响较小;而随着三叶孔数量、缺口率的增大,该换热器的换热系数和压降都在减小,但综合性能则不断增大。此外,通过数值模拟、人工神经网络、遗传算法相结合的代理模型优化方法对该换热器进行了优化设计,并通过TOPSIS方法对获得的Pareto前沿进行择优。当折流板的倾斜角、三叶孔数量、缺口率分别为5.38°、6和43%时对应的结构是该换热器的最优解。将该最优解与弓形折流板换热器进行对比,发现其换热量和压降都减小了,但表现出较好的综合性能。将三叶孔折流板与螺旋流相结合,设计了三叶孔错位折流板换热器。研究表明,该换热器可有效降低流动阻力,使壳程整体速度分布与温度分布更加均匀,虽然其换热性能有所下降,但综合性能得到了提升。同时,探究了折流板的数量、三叶孔数量、缺口率等几何参数对该换热器壳程性能的影响。数值结果显示,当折流板数量增加时,该换热器的换热系数和压降都在增大;但其综合性能则先增大后减小,在折流板数量为6时达到最大值。当缺口率越大、三叶孔数量越多时,该换热器的换热系数与压降越小,综合性能则越好。此外,对比并分析了弓形折流板换热器、三叶孔折流板换热器、错位折流板换热器、三叶孔倾斜折流板换热器、三叶孔错位折流板换热器等五种换热器的流动与传热性能,以比较本文中采用的三种折流板改进方法,即给折流板设置倾斜角、设置三叶孔、将折流板交错排列,对壳程性能的影响。结果表明,这三种方式对换热器的壳程性能有一定的提升作用。其中,倾斜角对壳程性能的影响最小,而三叶孔对其影响最大;同时,三叶孔主要通过大幅减小压降损失来改善壳程性能。本文设计了两种新型换热器结构,旨在对管壳式换热器壳程进行强化传热,并通过数值模拟、优化设计等方法探究了这两种换热器壳程的流动与传热性能,对提高管壳式换热器的换热效率具有积极作用。