可供商业开采的石油等化石燃料是有限的,随着能源短缺和环境污染问题的日益显著,研究提高能源利用率、减少能源消耗的途径迫在眉睫。温差发电技术可以将尾气中热能直接转化为电能供给汽车上的电器设备使用,从而改善汽车的燃油经济性。但是温差发电系统的热交换器在收集尾气中热量的同时会给发动机的排气系统带来很大的背压,阻扰了发动机正常的做功。而非光滑表面结构具有换热强度高,流动阻力小的特点,布置在热交换器内部可以很好地控制温差发电系统的背压。本文采取理论分析、数值模拟与试验相结合的研究方法,对热交换器内部的非光滑表面强化传热展开研究。非光滑表面分为球面凹坑和柱面凹坑,在温差发电系统中通过非光滑表面改善热交换器的内部结构,提高尾气与内壁面的对流换热系数,避免传统的温差发电系统中大量的翅片对发动机的背压带来的不利影响。通过比较温差发电系统的整体性能,球面凹坑可以在输出功率,热阻和背压上取得一个良好的平衡。以努塞尔数来表征传热能力,以范宁摩擦因子来表征沿程压力损失,对热交换器中球面凹坑的强化传热特性进行了分析。采用Kriging代理模型的方法,对球面凹坑结构的热交换器进行多参数优化。与初始模型相比,优化模型温度分布均匀性得到很大的提高,平均温度不变,背压增加得不大。搭建实车情形下四个尾气温差发电系统并联的仿真平台,将仿真结果与试验结果对比,为系统的数值模拟提供了有力的数据支撑。用优化后球面凹坑结构的热交换器替换四箱并联系统中的翅片热交换器,结果表明非光滑表面结构可以提高温差发电系统中的发电功率并降低整个系统的背压,最终得到一个传热性能好、发电量高、背压合理的汽车尾气发电系统。