内燃机作为移动装置中应用最为广泛的动力部件,其节能减排对国家经济和生态环境的可持续发展具有重要意义。由于内燃机排气具有温度高、能量大等特点,采用热力循环开展排气余热回收被公认为是最具节能潜力与效率提升的技术之一。烟气换热器作为热力循环中置换排气热量的关键部件,其换热性能直接影响循环整体效率,同时带来的排气背压上升和额外负重均会损耗内燃机原机功率。因此,本文针对移动装置内燃机余热回收系统中烟气换热器高效率、低压降、轻重量的要求,开展基于金属泡沫材料的烟气换热器性能评价及强化设计研究。针对现有烟气换热器评价指标考察因素不全导致无法指导实际性能的问题,本文建立了适用于移动式内燃机余热回收系统中烟气换热器的综合性能评价指标并给出其定量表征数学模型。基于该综合性能评价指标,构建了一种涵盖结构设计、性能评估及参数优化三个层次研究的烟气换热器全过程优化设计方法,为后续烟气换热器全过程分析提供方法基础。依据全过程优化设计方法的第一层次,开展基于金属泡沫折流板及金属泡沫翅片的烟气换热器结构设计研究。首先建立金属泡沫翅片单管模型并确定金属泡沫翅片最优参数。之后基于单管模型结果,确定换热器内部结构尺寸参数,并根据金属泡沫折流板及翅片不同的布置方式完成了六种管壳式换热器的结构设计。依据全过程优化设计方法的第二层次,开展针对第一层次设计的六种管壳式烟气换热器综合性能评估研究。完成不同结构换热器CFD仿真计算,获得流动、压降、传热、重量等基础性能,进而进行整个换热器的综合性能评价。结果表明,带有金属泡沫折流板及环形金属泡沫翅片的管壳式换热器为最佳结构,相比于带有固体折流板及无翅片的传统管壳式换热器而言,其综合性能提升了3.33 k W。依据全过程优化设计方法的第三层次,开展针对第二层次确定的最佳结构管壳式烟气换热器的参数优化研究。探索换热器内部关键参数对其综合性能的影响,并采用CFD、ANN及GA算法相结合的优化方法完成在给定自变量范围内的全局寻优过程。结果表明,当单位长度上金属泡沫翅片数量为94 m-1、换热内管间距为58.60 mm及金属泡沫区域孔隙率为0.702时,最佳结构管壳式换热器的综合性能达到最大值4.28 k W。通过以上全过程优化设计获得的新型管壳式烟气换热器,相比于实验室现有的传统蛇形套管式烟气换热器,换热性能增加9.0%,压降性能降低76.0%,重量减轻78.1%,体积缩减85.7%,功率损失减小74.6%,综合性能提升100.9%。