随着我国经济的飞速发展,能源和环境问题也日益严重,通过提高能源利用率,落实节能减排,对经济可持续发展至关重要。热能作为能源存在的形式之一,其传递与转换过程广泛存在于各大工业领域。换热器为对流换热进行的主要场所,因此发展强化传热技术对实现换热器的高效率具有重要意义。本文将以单管内对流换热过程为研究对象,开发新型管内扰流技术。我们通过数值模拟方法展开对流场结构、强化机理及不可逆性的分析研究工作,并根据理论指导对扰流元件进行优化设计。本文介绍了可用势的概念,并推导了可用势平衡方程,得到局部（火用）损率的表达式,并分析了可用势与（火用）损之间的联系。本文进一步阐述了传热（火用）损和流动（火用）损作为表征传热和流动不可逆性的具体含义,并分析了从（火用）损最小化原理出发进行相关强化技术的优化设计的科学性和可行性。基于优化理论获得的多涡纵向旋流最优流场,本文提出了中心倾斜导流器作为一种新型管内插入物,在雷诺数为300到1500的工况下进行了数值模拟,并研究了节距（P）,倾斜角（α）和弯曲直径（d）等3个几何参数对水力热工性能的影响。结果表明,新型插入物可实现将流体从核心区引流到管壁附近,并在管中诱导产生多涡纵向旋流,进而在可接受的压降范围内增强换热。同时,本文还对管内对流换热进行基于热力学第二定律的（火用）损分析,并计算得到管内平均传热（火用）损和流动（火用）损。与光滑管相比,努谢尔特数增加了2.51—9.46倍,摩擦系数增加了2.48—10.77倍,综合性能评估系数在0.92—1.56之间,传热（火用）损减少了4.82—10.56倍,流动（火用）损增加到3.78—12.50倍。本文提出了将（火用）损最小化原理应用到具体的强化传热元件优化设计的可行方法。具体地,根据理论指导,定义传热（火用）损和流动（火用）损比率为优化目标,并通过遗传算法结合人工神经网络进行多目标优化,并给出多种从帕累托前沿上根据不同原则选取设计点的方法。其中,通过TOPSIS决策手段获得帕累托前沿上的折衷方案,优化结构（d=3.63 mm,α=35.85°,P=67.89 mm）的综合性能评估系数可达到1.32。优化结果表明,基于（火用）损最小化原理的优化设计可获得较可观的综合性能。本文将内肋管应用于强化超临界态CO2在管内的对流换热,在冷却边界条件下研究了P型和V型斜肋采用不同排布下对管内速度及温度场的影响。结果表明,光滑圆管内流场主要受到重力驱动的浮升力影响,而内肋管内流动换热同时受到扰流效果和浮升力影响。与光滑圆管相比,斜肋可在管内诱导形成多涡或单涡纵向旋流,有效促进管内流体的混合,提升壁面温度,降低壁面与流体间的传热温差,在定热流条件下对增强管内局部换热系数有显著效果。V型斜肋在管内形成多涡纵向旋流,P型斜肋则主要形成单涡流场,不同排布位置的斜肋产生的涡结构旋向不同。同时,本文对超临界态下的工质在管内的局部（火用）损分布进行了分析。由于超临界态下工质物性变化沿程变化较大,在冷却边界条件下,管内传热（火用）损沿程增加,流动（火用）损沿程降低,这与常压态下工质所呈现的规律有明显差别。