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随着全球能源紧缺和环境污染问题的加剧，开发和利用可再生清洁能源、提高能源利用率成为世界能源发展的趋势。换热器是工业生产过程中的重要过程设备，其性能对系统有举足轻重的影响。印刷电路板式换热器(PCHE)具有结构紧凑、换热效率高、耐高温高压等优势，在核能、太阳能、航空航天、石油天然气开采、化工等多个领域有广阔的应用前景。超临界二氧化碳(S-CO2)在拟临界点附近物性参数发生剧烈变化，引发复杂的换热和流动现象，使得传统的换热计算和设计理论不再适用。研究强变物性流体在微通道内的对流换热特性，研发新型高效紧凑的PCHE换热结构，对实现能源高效利用和可持续发展具有十分重要的意义。
本文首先对强变物性流体在单个强化通道内的对流换热进行模拟研究，通过场协同理论和二次流分析揭示其换热强化机理;其次研究了强变物性流体在冷热双通道内的耦合换热特性，采用向量分析和统计分析的理论方法，结合数值模拟，分析了局部换热系数非均匀分布对整体性能的影响，并提出相关的优化设计方法;研发用于PCHE的换热强化结构——两种新型的翼型翅片，通过模拟计算对S-CO2在新翼型翅片PCHE内的流动换热特性进行了分析，并在S-CO2换热试验平台上对换热器整体性能进行了测试，根据试验和模拟结果总结了局部换热流动经验关联式;此外研究了换热器性能对强变物性流体多级换热系统的影响，总结了换热系统优化设计规律。
采用场协同理论和二次流对弯曲通道内的对流换热进行分析，结果表明，弯曲通道的拐角可以增强对内部流动的扰动，有效强化换热;另一方面，与直通道相比，弯曲通道内流体的速度场和温度梯度场分布改变，两场的协同度提高，换热得到强化。在拟临界点附近，S-CO2的物性参数发生剧烈变化，强化局部换热。考虑到物性变化和通道结构对内部对流换热的综合影响，提出采用De/Gr*来表征弯曲通道内离心力与浮升力影响的相对大小。使用S-CO2流体研究冷热通道内强变物性流体的耦合换热特性，通过向量分析和统计分析的方法分析局部换热系数的沿程分布，推导出分布协同角与总体不均匀度两个参数，结合数值模拟研究发现:提高两侧局部换热系数的分布协同度（即增加两侧换热系数沿程分布的相似度），减小分布的总体不均匀度，能够有效提高总体换热性能。
开发出两种用于PCHE的新翼型翅片，数值模拟分析的结果表明:与已有的NACA0020翼型翅片相比，其中一种新翼型翅片的换热和流动性能均有提升，综合性能提高;另一种新翼型翅片的流动阻力显著降低，高雷诺数条件下综合性能优异。翅片的交错排布和优化的外形结构能够减弱边界层的影响，改变速度场、温度梯度场及两场的协同度，强化换热性能;流线型的翼型结构可以有效减小流动阻力。
对新翼型翅片PCHE中超临界压力CO2与水的换热进行了试验测试，实验发现，与CO2侧流量相比，CO2侧入口温度对整体性能的影响较小;在入口雷诺数范围为10000～34000的工况中，CO2压降总体保持在较低水平（小于CO2侧运行压力的0.25％）;增加CO2侧压力可以提高换热量并减小压降，当CO2侧压力从7.62MPa提升至8.65MPa时，换热量增加约30.51％，压降减小约23.44％。与之字形通道PCHE试验数据的对比结果表明，在换热量相差不大的情况下，新翼型翅片PCHE的压降仅为之字形通道PCHE的1/6～1/5。结合数值模拟对新翼型翅片PCHE内局部换热流动特性的分析发现:在拟临界点附近，CO2的换热得到有效强化;努塞尔数和摩擦系数随温度的变化趋势在拟临界点前后有明显差异，设计过程中应分别考虑。最终根据试验数据和模拟结果，总结出适用于新翼型翅片PCHE中CO2冷却工况下的局部努塞尔数和摩擦系数关联式。
对烟气余热回收系统进行了研究，从热力学第一和第二定律角度进行了综合分析。对伴随烟气冷凝的两级换热系统进行研究发现，在设计过程中，将物性变化规律不同的流体工况放置在不同换热设备中，即将物性变化拐点安置在上下游换热器的连接处，有利于针对流体物性和换热表现对换热器进行优化，从而提高系统性能。
本文按照“单个弯曲通道——两侧耦合——新型PCHE换热通道——分级换热系统”的顺序，对强变物性流体的换热流动开展了逐步深入的研究。研究揭示了强化通道内变物性流体的流动规律及换热机理，提出指标数衡量通道结构与物性变化对换热的影响;创新性地从分布协同的角度，研究并揭示了强变物性流体两侧耦合换热的强化机理;研发出新型高效紧凑的PCHE通道结构，并对新型PCHE进行了试验测试，总结了相关的经验关联式;从传热学和热力学的角度，对强变物性流体的分级换热系统优化设计进行了研究。本文工作可为强变物性复杂工质的传热流动机理研究、换热强化和通道优化设计、高效紧凑式微通道换热器研发等提供理论指导和技术支持。
本文首先对强变物性流体在单个强化通道内的对流换热进行模拟研究，通过场协同理论和二次流分析揭示其换热强化机理;其次研究了强变物性流体在冷热双通道内的耦合换热特性，采用向量分析和统计分析的理论方法，结合数值模拟，分析了局部换热系数非均匀分布对整体性能的影响，并提出相关的优化设计方法;研发用于PCHE的换热强化结构——两种新型的翼型翅片，通过模拟计算对S-CO2在新翼型翅片PCHE内的流动换热特性进行了分析，并在S-CO2换热试验平台上对换热器整体性能进行了测试，根据试验和模拟结果总结了局部换热流动经验关联式;此外研究了换热器性能对强变物性流体多级换热系统的影响，总结了换热系统优化设计规律。
采用场协同理论和二次流对弯曲通道内的对流换热进行分析，结果表明，弯曲通道的拐角可以增强对内部流动的扰动，有效强化换热;另一方面，与直通道相比，弯曲通道内流体的速度场和温度梯度场分布改变，两场的协同度提高，换热得到强化。在拟临界点附近，S-CO2的物性参数发生剧烈变化，强化局部换热。考虑到物性变化和通道结构对内部对流换热的综合影响，提出采用De/Gr*来表征弯曲通道内离心力与浮升力影响的相对大小。使用S-CO2流体研究冷热通道内强变物性流体的耦合换热特性，通过向量分析和统计分析的方法分析局部换热系数的沿程分布，推导出分布协同角与总体不均匀度两个参数，结合数值模拟研究发现:提高两侧局部换热系数的分布协同度（即增加两侧换热系数沿程分布的相似度），减小分布的总体不均匀度，能够有效提高总体换热性能。
开发出两种用于PCHE的新翼型翅片，数值模拟分析的结果表明:与已有的NACA0020翼型翅片相比，其中一种新翼型翅片的换热和流动性能均有提升，综合性能提高;另一种新翼型翅片的流动阻力显著降低，高雷诺数条件下综合性能优异。翅片的交错排布和优化的外形结构能够减弱边界层的影响，改变速度场、温度梯度场及两场的协同度，强化换热性能;流线型的翼型结构可以有效减小流动阻力。
对新翼型翅片PCHE中超临界压力CO2与水的换热进行了试验测试，实验发现，与CO2侧流量相比，CO2侧入口温度对整体性能的影响较小;在入口雷诺数范围为10000～34000的工况中，CO2压降总体保持在较低水平（小于CO2侧运行压力的0.25％）;增加CO2侧压力可以提高换热量并减小压降，当CO2侧压力从7.62MPa提升至8.65MPa时，换热量增加约30.51％，压降减小约23.44％。与之字形通道PCHE试验数据的对比结果表明，在换热量相差不大的情况下，新翼型翅片PCHE的压降仅为之字形通道PCHE的1/6～1/5。结合数值模拟对新翼型翅片PCHE内局部换热流动特性的分析发现:在拟临界点附近，CO2的换热得到有效强化;努塞尔数和摩擦系数随温度的变化趋势在拟临界点前后有明显差异，设计过程中应分别考虑。最终根据试验数据和模拟结果，总结出适用于新翼型翅片PCHE中CO2冷却工况下的局部努塞尔数和摩擦系数关联式。
对烟气余热回收系统进行了研究，从热力学第一和第二定律角度进行了综合分析。对伴随烟气冷凝的两级换热系统进行研究发现，在设计过程中，将物性变化规律不同的流体工况放置在不同换热设备中，即将物性变化拐点安置在上下游换热器的连接处，有利于针对流体物性和换热表现对换热器进行优化，从而提高系统性能。
本文按照“单个弯曲通道——两侧耦合——新型PCHE换热通道——分级换热系统”的顺序，对强变物性流体的换热流动开展了逐步深入的研究。研究揭示了强化通道内变物性流体的流动规律及换热机理，提出指标数衡量通道结构与物性变化对换热的影响;创新性地从分布协同的角度，研究并揭示了强变物性流体两侧耦合换热的强化机理;研发出新型高效紧凑的PCHE通道结构，并对新型PCHE进行了试验测试，总结了相关的经验关联式;从传热学和热力学的角度，对强变物性流体的分级换热系统优化设计进行了研究。本文工作可为强变物性复杂工质的传热流动机理研究、换热强化和通道优化设计、高效紧凑式微通道换热器研发等提供理论指导和技术支持。