初级能源消费中80％要经历传热和换热设备，传热过程强化的研究与高效节能过程设备的开发是当今工程节能降耗的一个重要手段。近年来的研究表明，混沌对流能够显著地强化混合与传热，对设计紧凑、高性能的混合与换热设备是一个很有前途的技术。 本文通过理论分析、数值模拟计算与试验研究相结合，研究了混沌对流的强化传热及混合特性，提出了易于工程应用的混沌对流结构，分析了其流体流动与传热、混合特性，讨论了其在紧凑式换热器与静态混合器中的应用。主要的研究工作及得出的结论如下： (1)介绍了混沌对流的研究与应用，对混沌对流及其在传热强化中的作用进行分析。对C型混沌流道与普通直管内的流体流动与传热进行了分析与对比，研究结果表明特殊的结构可以使流体在较低雷诺数下产生混沌对流，增大主流区和近壁处流体间的混合，强化流道内的传热，使流道横截面上的温度分布更加均匀。 (2)根据三维混沌对流发生及传热强化机理，提出了在流体流动方向具有正交波纹的一种新型混沌对流强化传热结构，这种结构既能单独作为低雷诺流下的强化传热流道，也方便应用于紧凑式换热器、静态混合器中。设计了参数组合，通过分析给出了推荐工程应用结构参数。 (3)综合研究了新型流道内的流体流动与传热特性。结果表明，混沌对流结构内的一些流体流动与传热特性类似于湍流。流道的进口影响长度远小于普通直流道层流时进口影响长度，且在充分发展段流体流动与传热具有周期性特性；Re数和Pr数对传热与流动的影响与普通层流相差很大。得出了混沌对流结构的传热Nu数与摩擦阻力系数λ的计算表达式。 (4)利用拉格朗日跟踪技术，模拟了流体物质线和物质面在混沌对流作用下的变形情况，定性地分析了混沌流道内物质线和物质面受到的拉伸与折叠作用，验证了混沌对流具有对初始条件敏感的性质。提出了混沌对流中流体扩散性的数值计算方法，定量计算混沌对流中流线的拉伸和折叠程度。讨论了混沌对流与普通层流各流态中的流体扩散特性对传热强化的影响。对不同几何尺寸组合的正交波纹通道内流体扩散性进行计算。结果表明，流体扩散程度的大小与单位面积传热量具有较强的对应关系。 (5)根据板翅式换热器的几何结构和流动特点，提出了板翅式换热器的简化数值模拟计算模型，并证明了其合理性与正确性。提出了以新型混沌对流结构为流道的板翅式换热器，并应用提出的数值模型对其流体流动与传热特性进行了数值计算，给出了混沌板翅式换热器内传热因子j与摩擦因子f的计算关联式。 (6)阐述了混沌对流与混合之间的关系，并对新型混沌流道内的混合特性进行数值分析，定性、定量得分析了结构参数、雷诺数对混合效果的影响。分析得出，流道内物质面和物质线被拉伸与折叠的程度较大，混合效果就较好。流道中因参数变化得到的混合效果优劣，与得到的传热效果强弱关系完全一致。 (7)根据试验原理与测量要求，制定了对流体流动与传热的试验方案，设计、制作了两套混沌对流结构内流体流动与传热的冷模与热模试验装置，对数值模拟计算得到的速度、压降与传热结果进行了验证。结果表明，数值模拟结果与试验测量结果吻合较好。