管壳式换热器在工业中广泛被使用,由于能源问题日益严重,因此开发高效换热器是十分有必要的。扭曲管换热器换热效率高且不易结垢,但现有关于管壁结构对扭曲管传热与流动性能影响的相关研究成果较少,故本文提出了具有两种分别具有轴向、周向内肋的椭圆扭曲强化换热管,利用数值模拟与实验揭示其内部流动换热机理。首先,本文提出了一种具有一对轴向排布并且关于椭圆中心对称的矩形内肋的椭圆扭曲管。通过模拟对比分析了湍流下新型管与原始扭曲管、光滑圆管的性能,并研究了长短轴比、扭距、肋宽与肋排布角度对新型管内流动换热特性的影响。结果显示,矩形内肋使椭圆管内形成一对纵向涡,改善了场协同性能,进而强化管内对流换热。其次,提出了一种具有周向正弦内肋的椭圆扭曲管。数值模拟研究了湍流工况下长短轴之比、扭距、周期数、振幅与节距对管内部水力热工特性的影响。结果表明,正弦内肋结构可以抑制边界层的发展,使管内形成纵向涡,同时在壁面附近形成二次流,使不同流层流体充分掺混,从而强化传热。本文使用响应面方法与遗传算法,以换热增长最大与阻力增长最小为目标,分别针对两种新型管进行结构多目标优化,最后利用优劣解距离法选择出两目标权重相同的折中方案。最后,为验证数值模拟结果,采用3D打印技术获得了两种新型管,利用粒子图像测速实验对二者的流场特性进行了测量。实验所得强化管的流场特征与模拟结果吻合良好。