随着我国经济和社会发展水平不断提高,能源高效利用和环境保护越来越受到重视,作为工业领域重要的用能设备,管壳式换热器强化换热技术一直以来都受到国内外广泛关注。扭转流换热器是一种新型高效管壳式换热器,折流板的正交结构促使壳程流体产生周期性扭转流动形态,与传统弓形折流板换热器相比壳程压降有效降低,而与螺旋流换热器相比换热系数也更高,但这种新结构仍然存在优化改良空间。本文在对扭转流和螺旋流换热器壳程流动形态、换热性能的研究基础之上,提出了三种新型壳程管束支撑结构,对它们的性能进行了模拟优化研究。主要研究内容和结论如下:1、对螺旋流和扭转流换热器进行数值研究,分别研究了两种换热器壳程速度场、温度场的分布状况,对比分析折流板结构对壳程物理场的影响规律,以及物理场分布与换热器性能之间的关系。结果表明,同等Re下,扭转流换热器的换热系数、阻力因子和综合性能较螺旋流换热器分别提高了49～78%、88～94%和22～44%,扭转流换热器整体换热性能优于螺旋流换热器。2、搭建了扭转流换热器冷态实验平台,利用LDV测量换热器壳程流体两个方向上的速度分量,并提取对应的数值模拟数据,以实验对比的方法对数值模拟结果的准确性进行了验证。实验数据与模拟数据对比结果表明,实验最大误差为21%,其余数据误差均控制在16%以内,模拟结果与实验数据吻合良好,鉴于实验与数值模拟之间存在不可避免的尺度差异和边界条件差异,模拟结果的准确度在可接受的范围之内。3、根据扭转流与螺旋流换热器壳程结构与性能之间的关系,结合两者的高换热性能区域的几何结构特征,设计开发出双扭转流换热器结构,对比分析了双扭转结构的壳程物理场分布状况、换热性能以及场协同特性。对比结果表明,双扭转流换热器壳程流体较原结构具有更长的流线,流场分布较为均匀。4、利用响应面优化的方法对新型双扭转流换热器的折流板参数进行优化设计。优化结果显示,换热器整体优化结果向着折流板倾角减小、板宽增大、折流板间距减小的方向发展。对响应面优化结果进行预测精度验证,换热系数、压降和综合性能评价指标预测值与数值计算结果的误差较小,证明了利用响应面进行换热器结构优化的准确性。