现代工业的迅猛发展，以及日益严重的世界能源危机，使得能量有效利用技术越来越受到重视。波纹管由于具有强化传热效果，因此也被越来越多地应用于管壳式换热器中。但如今，有关波纹管的传热强化机理仍然不是十分清楚，波纹管内传热系数的计算没有比较精确的公式，波纹管换热器的强度设计也没有特定而明确的设计标准可依。因此，对波纹管传热强化性能及其轴向承载与变形能力的研究具有较高的理论价值和工程应用价值。本论文首先对波纹管内不同粘度介质强制对流时的流动和传热特性进行了数值模拟和实验验证，重点研究了波纹管的强化传热机理和相对于直管的强化传热效果。通过分析不同流动条件下的流动现象以及局部传热系数的分布特点，发现波峰内出现的“涡”对波纹管的传热强化具有关键性作用；波纹管内流动从层流过渡到湍流时的临界雷诺数要比直管低；关于波纹管的强化传热效果，论文发现了波纹管在不同流动条件下相对于直管的最佳强化比和最佳传热强化区。通过研究波纹管的结构参数及管内流体的物性参数对其传热与阻力性能的影响，本论文还拟合出了波纹管内强制对流时的传热准则方程及摩擦系数关联式。通过这些关联式计算的结果和实验或数值模拟结果非常吻合。其次，通过对波纹管套管换热器进行传热性能实验和数值模拟，本论文考查了波纹管对管外流体的传热强化特性。结果表明，对于本论文中研究的波纹管套管换热器模型，当管内外介质均为水且雷诺数相同时，管外的平均传热系数要显著低于管内，这说明波纹管套管换热器以管外传热控制为主；波纹管对其管外的传热具有明显的强化作用，相对于同样条件下的直管来说，最大强化比约为3；对波纹管套管换热器结构参数的研究则表明，从强化传热的角度来说，较小的套管内径及波纹管圆弧半径对强化传热更有利；为便于波纹管换热器的工程设计和应用，本论文根据正交试验设计和多变量线性拟合，还得到了波纹管套管换热器管内外介质均为水时管外强制对流的传热系数关联式，该无因次准数关联式较好地考虑了结构参数的影响，经实验或数值计算验证，其精度也在工程允许范围之内。另外，本论文还通过实验应力分析和有限元数值模拟，对波纹管在轴向拉伸载荷作用下的强度进行了研究，讨论了波纹管中轴向和环向应力的分布特点，并与相同条件下的直管进行了对比。研究发现，由于波纹管结构的不连续性，管壁内的应力分布变得复杂，特别是环向应力变得比较显著。通过沿管壁厚度方向进行应力线性化处理，发现在轴向应力中出现了弯曲应力，其值甚至超过了轴向应力的平均值；此外，弯曲应力沿轴向有所变化，而平均应力基本不变。在对波纹管进行参数分析后，本论文拟合出了一个用于计算弯曲应力的简易公式，该公式为波纹管在工程应用中的强度评判提供了一定的便利。最后，为确定波纹管的轴向刚度，本论文还对波纹管在轴向拉伸或压缩载荷作用下的轴向变形进行了有限元数值模拟和实验研究，并考虑了所有相关结构参数的影响。通过与相同条件下的直管进行对比分析，并定义“刚度削弱系数”K_f，本论文提出了波纹管轴向刚度的简易计算公式，该公式可用于在波纹管换热器的设计中计算波纹管的轴向变形。