能源是社会发展和科技进步的基础，是可持续发展的有力保障，然而我国能源利用效率与发达国家相比仍有一定差距，因此节能是我国现阶段的重要课题之一。换热器作为一种热量传递设备，广泛应用于工业的各个领域，是能源利用的关键装置，其中，管壳式换热器是应用最广泛的换热器。因此，进一步提升管壳式换热器的综合性能是提升能源利用效率的有效手段，对实现节能减排、降低单位GDP能耗具有重要意义。本文在已有理论基础上，采用数值模拟、实验研究、优化设计相结合的研究方法，对管壳式换热器壳程开展强化传热研究工作，致力于开发更高效的新型管壳式换热器。
　　以换热管内的混流均温强化传热模式为基础，探究其在管壳式换热器壳程的应用。将壳程折流结构视为一种基于流体的强化传热技术，其通过扰流使壳程流体温度分布更加均匀，边界层处温度梯度增大，从而达到提升对流换热性能的效果。对截面形状为圆形、椭圆形、正方形的波形折流杆的混流均温效果进行对比分析，模拟结果表明，椭圆形波形折流杆使壳程内的温度分布更加均匀、换热性能更好，从而验证了壳程的混流均温强化传热模式。
　　提出了一种采用圆筒分程的双壳程折流杆换热器，旨在通过分程增加壳程流速和流程长度，从而大幅增强折流杆换热器的壳程性能。与单壳程折流杆换热器的数值模拟对比表明：在相同泵功下，双壳程折流杆换热器的换热量提升约27.9%；在相同换热量下，其泵功降低约54.2%。因此，双壳程折流杆换热器具有更好的综合换热性能。此外，局部压降分析表明，进、出口区的压降分别约占单壳程折流杆换热器总压降的57%和40%，约占双壳程折流杆换热器总压降的37%和24%，可见减流阻的关键在于进出口区，尤其是进口区。局部换热分析表明，进口区的换热系数高于主流区和出口区，因此提升换热性能应从主流区和出口区入手。
　　通过热工水力实验进一步地对单、双壳程折流杆换热器进行了研究，并拟合出了努塞尔数的实验关联式。实验结果表明：在相同的流量下，双壳程折流杆换热器的壳程换热系数相对于单壳程时增加了33.5%至54.0%，壳程压降增加了34.2%至74.3%；在相同的压降下，双壳程折流杆换热器的壳程换热系数增加14.4%至24.3%。随后，对实验所测试的双壳程折流杆换热器进行了数值模拟研究，验证了其数值模型的有效性。综上所述，双壳程折流杆换热器大幅地提升了折流杆换热器的换热能力，对于折流杆换热器的推广使用具有重要意义。
　　针对研究过程中发现的单壳程折流杆换热器进口区局部流阻过高的问题，在进口导流筒内的速度突变处设计了一种弧形引流装置，并对其减阻效果进行了数值模拟研究。结果表明，弧形引流结构在对换热基本无影响的前提下，使入口区压降减小约9.5%，整体压降减小约5.7%。引流结构的设置不改变整体尺寸、不增加加工难度，在几乎不增加成本的情况下达到了有效降低壳程压降的目的，具备深入推广应用的潜力。
　　此外，针对双壳程折流杆换热器出口区内的流动死区问题，研究了传统圆筒导流筒、大矩形缺口导流筒、小矩形缺口导流筒三种出口导流结构的强化传热作用。数值研究表明，相对于未设置出口导流结构时，大矩形缺口导流筒对流动死区的扰流作用最显著，强化传热效果最好。在相同的泵功下，大矩形缺口导流筒使出口区的换热量相对于未设置导流筒时增加约9%。
　　最后，提出了一种错位折流板换热器，其在弓形板换热器的基础上，通过折流板的错位排列使壳程形成螺旋流动。通过数值模拟将错位折流板换热器的传热和流动性能与弓形板换热器、连续螺旋板换热器进行对比，结果表明，在相同泵功下，错位折流板换热器的换热量更高，其换热系数随折流板缺口率的减小、错位角的增加而增加。进一步地，为管壳式换热器壳程的优化设计提出了一种综合使用正交试验设计、遗传算法、人工神经网络、以及CFD数值模拟的新型代理模型优化方法，并以壳程换热量和压降为优化目标，采用该方法对错位折流板换热器的折流板缺口率、错位角、数量进行了协同优化。通过多目标决策算法得出最优妥协解的折流板缺口率为0.45、错位角为79°、数量为11。随后，本文对比分析了错位折流板换热器和弓形板换热器的Pareto前沿，结果表明，错位折流板换热器的最优妥协解优于优化后的弓形板换热器。
　　本文从强化传热的角度出发，通过数值模拟和实验研究发展了新型纵向流式和螺旋流式管壳式换热器，为管壳式换热器在工业中的应用提供了更多样、更高效的选择，对提升能源利用效率具有积极意义。