余热回收技术是近年来我国提倡节能减排、能源可持续发展战略中不可或缺的技术之一。作为产能和用能的关键环节,低品位余热(80~200℃)的回收对我国能源的高效利用起到了重要作用。然而,由于低温余热的能量低、能量转化理论与技术研究薄弱,余热回收装备技术的发展存在较多技术瓶颈,而且现有大规模应用的光管换热器已经不能满足现实余热回收率的要求,因此发展高效余热回收技术已经迫在眉睫。三维肋强化换热管因为其特殊的粗糙表面使流体在近壁面处产生横、纵向流动而破坏流动边界层和传热恶化的温度边界层,从而增强流体扰动与对流换热,因此备受学者们的关注。椭圆管等异型换热管由于其特殊的流线型结构有助于流体导流,从而有较小的流动阻力。因此将三维离散肋应用于椭圆管上,结合三维肋圆管开发出高效换热、低流阻的三维肋管换热器,对提升我国余热转化率和实现工业节能减排战略目标有重要意义。三维肋管开发至今,对其管外对流传热机理、流场和温度场的分布特性研究甚少,基于异型管的三维肋管的研究尚处于空白。因此本文以三维肋管为研究对象,建立了空气横掠三维肋圆管和三维肋椭圆管的流动传热数值计算模型,首先采用田口方法考察了肋参数耦和作用下单个肋参数对流动传热性能的影响规律及占比,并得到了最优三维肋管;然后,基于最优三维肋管,研究管束排列方式、肋高、横纵向管间距对三维肋管管束的速度场及流动阻力特性和温度场及传热特性的影响规律;在此基础上,提出了三维肋圆管与三维肋椭圆管组合的叉排三维肋管管束换热器,探究了空气横掠组合式三维肋管管束的综合传热性能和场协同性能,为获得高效换热、低流阻的三维肋管换热器优化设计提供了理论指导。通过以上的研究工作,本文获得了主要结论如下:(1)针对肋参数对三维肋管流动传热特性影响规律的数值模拟,研究表明:肋高对三维肋管流动传热性能影响最大(影响占比约65%),肋周向间距影响占比最小(约1.57%),得到了基于综合换热性能下的最佳肋参数组合;拟合了具有较高精度的多参数耦合作用下的流动阻力及换热性能预测关联式;得到三维肋管的换热性能是光管的1.7~2.96倍,三维肋椭圆管的流动阻力比三维肋圆管降低了16.7%~44.2%。(2)针对管束排列方式、肋高、横纵向管间距对三维肋管管束管外流动传热特性的影响研究与对比分析,结果表明:相比圆管管束,肋片对椭圆管管束的流动阻力影响更大;得到叉排三维肋管管束的流动阻力和换热性能约为顺排三维肋管管束的2.5倍和1.2倍;增大肋高、减小横纵向管间距有助于提升三维肋管管束换热器的综合性能;三维肋椭圆管管束的流动阻力比三维肋圆管管束平均小35%左右。(3)针对组合式三维肋管叉排管束换热器的流动传热特性数值模拟研究,结果显示:相同结构参数和入口条件下,组合式三维肋管管束的换热性能与三维肋圆管管束相差无异,但平均流动阻力比三维肋圆管管束下降了22%左右;综合性能分析发现三维肋圆管布置在最后一排,组合式管束表现出更好的综合换热性能,其比三维肋圆管管束最大增加了8%,比三维肋椭圆管管束最大增加了29.5%,且场协同性能分析结果与此结果一致。研究结果表明三维肋管换热器在高效换热、降低流动阻力方面有明显的性能提升,有助于余热回收技术的发展。