较低的能源利用率、持续增长的能源价格以及日益加剧的环境污染已经成为全世界正在面临的问题。强化能量传递过程,降低能量传递消耗是减缓上述问题的关键举措。作为耗能行业中使用最广泛的能量传递设备,换热器的设计和优化对能源和环境事业意义重大。本文以螺旋缠绕管换热器为对象,基于（火积）耗散理论、场协同理论和不可逆损失理论,进行了换热器强化的理论创新,并以此为目标对螺旋缠绕管换热器进行结构优化,然后通过实验和数值模拟对比分析换热器性能强化机理,并最终探索解决了螺旋缠绕管换热器的整体拓扑优化难题。基于有用能损失理论,改进换热器热力学模型和（火积）减理论在换热器中的应用。修正换热器在热力学系统中的温度结构,类比不可逆卡诺热机系统模型建立换热器中的温度关系,采用等效平均温度代换换热器中等效有限时间热力学温度,根据逆流换热器的实际工作状态,推导出换热器中各个传热阶段的有用能损失和整体（火积）耗散,最后用改进后的“（火积）减数”来表征换热器整体有用能损失程度和换热过程的优劣。结果表明修正后的热力学模型和（火积）理论能合理考虑各传热过程的影响,为换热器进行管程和壳程同步优化提供目标函数和理论指导。提出螺旋缠绕管换热器分层建模形式和结构参数与流动工况同步优化的双层循环模型,基于多目标遗传算法,以（火积）减数、综合评价指标和场协同数为优化目标,实现多层结构、多层循环、多目标函数的螺旋缠绕管换热器优化设计。首先对多层螺旋缠绕光管换热器进行流动性能、换热性能、综合性能、场协同性能以及有用能损失分析。为改善螺旋缠绕光管换热器管间存在的低流速区和低换热区,提出螺旋缠绕扭曲三叶管换热器,并证明了其优越的性能。在对两种形式的换热器进行优化时,灵敏度分析得到不同目标下优化时首先考虑的参数,单因素分析获得了不同性能参数随单一因素的变化情况,三维响应面分析获得了设计参数两两协同下对各性能的影响以及最优的参数组合。结果证明了（火积）减数可有效优化换热过程和增加换热器整体热量交换,获得了换热器壳程雷诺数在4000～80000,管程雷诺数在2800～40000工况下两侧流动性能和换热性能的关联式,实验验证表明拟合关联式的误差最大为9.17%。搭建实验平台,对螺旋缠绕光管换热器和螺旋缠绕扭曲三叶管换热器进行实验探究,针对两台换热器进行1:1建模后进行数值模拟,实验和数值模拟对比分析两台换热器的流动性能、换热性能以及综合性能。结果显示:实验测量误差均在4%内,实验和数值模拟对比中,壳程压降误差为3.72%～9.13%,管程为14.78%～16.09%。两台换热器的实验对比表明螺旋缠绕扭曲三叶管换热器的管程的综合评价指标高出12%～18%,壳程高出6%～10%,管程和壳程的场协同数最大分别提高19%和22.6%,（火积）减数最大可减小10.64%,并通过速度场和温度场分析了其强化机理。提出并对比筛选形状优化建模方式,采用实验验证后的数值方法,在相同换热面积下,结合MO-SHERPA寻优方法对螺旋缠绕管换热器进行12万组不同横截面的形状寻优。首先建立模型,精简（火积）减理论,然后分别以（火积）减数、综合评价指标和场协同数进行形状寻优。结果显示,新提出建模方法结合MO-SHERPA寻优方法可有效避免优化结构出现边界交叉和尖端现象,并可有效提高寻优速度和最优结构精度;不同目标函数下的最优解集使得在不同工况下对优化结果的选择更为灵活;相同换热面积下不同换热器的对比分析显示:管程综合评价指标提高22%,（火积）减数最大降低66%;壳程综合评价指标提高4%～20%,随质量流量的增大,优化结构性能优势逐渐明显;同时发现换热器管程和壳程的强化与内部的二次流的形成关系密切。通过不同方法的对比,在耦合MMA算法的有限元方法框架下,通过“多材料”模型,采用单一设计变量的取值范围表征流固状态的方法实现了螺旋缠绕管换热器（双流体）的拓扑优化。探究过程显示:设计变量的选取方式—双流体流场单独求解后流场叠加—流场叠加后热流耦合是双流体分离的关键;一定范围内增大RAMP插值的系数q*和减小SIMP插值的阶数p会抑制流体交叉;二维设计结果显示:在保证不会产生壁面渗透的前提下可通过增大流道允许压降、增大对流换热与导热之比、降低流体粘度的同时适当减小流道允许压降的方式得到更长和更复杂的流道结构来强化换热。三维最优设计显示:拓扑优化结构呈“树”状,可通过在允许范围内提高入口压降或者入口速度来提高综合性能,不同形式的换热器性能对比显示:拓扑优化结构的流动阻力虽比普通换热器高出22.7%～30.5%,但换热性能增大65.8%～78.1%,综合性能提升42.46%～75%。离散方法验证显示:同一标准案例下,采用有限元方法的获得的结构,其目标函数值比有限体积高2.24%,比玻尔兹曼方法高4.26%。