能源是人类经济和社会发展的命脉,是人类赖以生存的物质基础。人类社会的发展进步,离不开能源的有力保障。随着社会经济的发展,世界能源消耗剧增,能源危机和环境问题日益严峻。换热设备和元件在暖通空调、石油化工等高能行业广泛应用,有效的强化传热技术和高效换热元件的开发对节能减排具有重要的意义,对强化传热机理的研究具有重要的学术价值。本文基于强化传热基本理论,提出内插矩形翼纵向涡发生器的强化换热圆管,并对其进行了优化设计,通过三维数值模,详细研究了不同结构形式下该新型强化换热圆管的性能,揭示其强化传热的机理。首先,建立了内插矩形翼纵向涡发生器的强化换热圆管的三维数理模型,生成计算网格,进行网格独立性考核,并开展了数值计算的可靠性验证。通过数值模拟,获得其局部流场和温度场分布,其结果表明:换热圆管内插矩形翼,当流体在管内流动时产生纵向涡,形成了二次流,从而增强了流体的扰动,使得其温度梯度和速度场较好协同,从而大大强化了管内传热。其次,通过三维数值模拟,研究了不同矩形翼纵向涡发生器结构参数(倾角、翼宽、翼高)对新型换热圆管传热、阻力和综合性能的影响。结果表明:在本文研究范围内,该强化换热圆管的努塞尔数Nu高于光管,比光管提高了的68%～147.8%,阻力系数比光管增大了 159.7%～1437.9%;随矩形翼倾角增大,Nu数及阻力系数f持续增大,PEC值降低;随着矩形翼宽度增大,Nu数及阻力系数f增加,PEC值减小;随着矩形翼高度的增大,Nu数先增加后趋于平缓,阻力系数f逐渐增大,PEC值先增加后基本不变。最后,对矩形翼结构进行了优化,提出3种优化结构(结构Ⅰ、结构Ⅱ、结构Ⅲ)。以倾角为35°矩形翼为例,对3种优化结构下的强化换热圆管的流动及传热特性进行研究,并与内插传统矩形翼结构的强化换热管进行了对比。结果表明:内插3种优化结构矩形翼纵向涡发生器的强化换热圆管传热性能与内插传统矩形翼的相差不大;内插3种优化结构矩形翼纵向涡发生器强化换热圆管的阻力系数f均明显低于内插传统矩形翼结构的强化换热管;与传统矩形翼纵向涡发生器相比,3种优化结构纵向涡发生器均使强化换热圆管的综合性能得到有效提高,其中结构Ⅲ效果最好,其PEC值为1.13～1.17。