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以煤炭为主体消费结构以使得我国能源短缺问题与日俱增,为了加快能源安全战略发展,减少对各类一次能源的过度依赖,优化能源结构,促进其高效利用,实现节能减排已经势在必行。强化传热技术,可以实现石油、冶金、化工、电子器件冷却等诸多领域的换热设备高效换热、能源节约的目的。因此,对于换热的强化研究,即提高换热器的综合换热性能的研究一直都是学者们关注的焦点。管内对流强化传热技术的研究,旨在增加流体对边界层的扰动,加强核心区域流体与壁面流体的热量传递,从而降低能耗,提高综合换热能力的技术。本文进行了管内对流强化化热特性的研究,主要工作包括以下几个方面:首先,本文基于强化换热理论,提出了一种新型管内核心区域插入非对称高度矩形小翼涡流发生器,使用数值仿真软件Fluent 15.0,研究了管内插入矩形小翼在湍流状态下,矩形小翼的倾角、翼高对换热性能、阻力特性的影响。结果表明,矩形小翼产生的纵向涡流可以将核心区域的冷流体与壁面的热流体混合加强,且矩形小翼倾角越大,努塞尔数（Nu）越大,与光管相比,Nu与摩擦因子（f）分别是光管的1.162.49与2.0912.32倍;Nu与f随着无量纲翼高H2/D的增加而增加。通过工程结构优化,获得了最佳结构参数,即矩形小翼倾角β=30°,H1/D=H2/D=0.5,此时最优综合评价因子PEC为1.18。利用场协同原理和火积耗散极值原理对计算结果进行了分析,结果表明,平均场协同角随矩形小翼倾角、翼高的增加而减小,矩形小翼的倾角越大,翼高越高,火积耗散值越小,换热热阻也就越小。在此基础上,根据仿真数据给出了Nu和f的可靠的经验关联式,为此类设计提供设计参考。为验证矩形小翼的强化传热有效性,将管内插入矩形小翼的努塞尔数、摩擦因子和综合换热评价因子与其他学者研究的管内插入物进行了对比,结果表明矩形小翼的强化换热性能较好,下一步研究可通过在矩形小翼上打孔等方法来提高综合评价性能。其次,为进一步提高综合换热评价因子,提出了一种管内插入螺旋排布的新型三角小翼,并数值研究了其流动及换热特性,从速度场、温度场、压力场以及对流换热特征值揭示了三角小翼倾角、三角小翼个数对流动及换热的影响规律,此外,与矩形小翼的结果进行了对比。对比研究发现,三角小翼倾角β与Nu和f成正相关,与PEC成负相关,与矩形小翼相比,Nu最大提高了17.0%,f最大降低了33.33%。研究了三角小翼个数n与对流换热特性影响,当n=16与n=4相比,Nu仅提高了9.18%,而f却增加了52.94%,表明随着三角小翼个数n的增加,努塞尔数的增大远不及摩擦因子增大的多。因此,不能无限制的增大三角小翼的个数。当Re=5000,三角小翼的个数n=4时,获得最大PEC=1.39,比矩形小翼综合换热能力提高了17.8%。最后,以水为工质,搭建了圆管内非对称布置矩形小翼的对流强化换热实验平台,并进行了实验数据测量。将实验与仿真结果进行了对比,努塞尔数和摩擦因子最大误差分别为8.76%、10.61%,表明实验与仿真结果吻合较好。另外,进行了实验的不确定性分析,实验测得的雷诺数（Re）、Nu、f的最大不确定性分别为8.32%、10.11%、8.37%。为了验证实验测量的可重复性,重复性测试在实验开始和之后进行约5个月来验证测量仪器的稳定性小翼对流换热实验平台。结果表明,Nu和f最大偏差分别为5.82%和4.19%,实验的可重复性好。