弯管是工程中常用的换热元件之一。本文将火积耗散极值原理应用于弯管管内层流对流换热,建立数学模型,数值计算得到弯管管内层流对流换热火积耗散取得极值时的流场,称为优化流场。数值模拟结果表明,优化流场在各研究工况下,PEC提高幅度普遍高于70%,最高高于150%。应用场协同原理分析优化流场径向截面强化传热机理。对比优化流场与原型流场截面速度场可发现,在附加体积力作用下,优化流场在流体中心区域产生较大的切向速度,通过流体粘性带动边界附近流体产生切向速度,使整个流域内流体做轴向螺旋流动。运动方式的改变使得优化流场截面温度梯度场均匀性增加,换热表面附近温度梯度加大,边界层附近协同角余弦值提高。在优化流场截面表面传热系数高的区域通常具有较大的径向速度或切向速度以及等温线密度。以优化流场为设计依据,对弯管管内流道进行结构优化。优化思路为在壁面处添加环肋,通过肋片的导流作用诱导流体产生径向速度或切向速度,以取得与优化流场相似的流场形态。依照以上优化原则设计出顺向环肋弯管、径向环肋弯管、逆向环肋弯管三种内环肋弯管,数值模拟其换热性能。对比三种内肋弯管在径向截面速度场发现,三种环肋具有不同的导流效果：逆向环肋能诱导边界处流体产生较大切向速度,径向环肋弯管能诱导流体边界处产生较大径向速度,顺向环肋弯管导流效果较差。逆向环肋弯管在边界处诱导流体产生较大切向速度后利用流体粘性带动中心区域流体产生切向速度,流动方式的变化提高了截面温度梯度场均匀性、加大边界处等温线密度以及边界层附近协同角余弦值。径向环肋能诱导流体产生较大的径向速度,径向速度的存在同样可以增大边界附近等温线密度,改善边界层附近流场与温度场的协同性,提高流场换热性能,但同时造成较大的压力降,使得PEC提高幅度低于逆向环肋弯管。对比三种内肋弯管各工况下PEC可知,逆向环肋弯管PEC最高,较之原型弯管提高幅度普遍高于50%,最高可达70%。其余两种内肋弯管提高幅度在20%左右。逆向环肋弯管PEC与优化流场存在一定差距,作者认为原因在于切向速度产生的位置不同。优化流场切向速度产生于流场中心位置,对整个流场的优化效果好于切向速度产生与边界处的逆向环肋弯管。逆向环肋弯管PEC高于其余两种内肋弯管表明诱导流体产生切向速度对流场优化作用好于径向速度。进一步优化逆向环肋弯管结构,优化途径为在环肋与玩管内侧接触位置切口。切口大小分别为60°圆心角和90°圆心角。对切口后逆向环肋弯管的换热特性进行数值模拟研究,结果表明60°切口逆向环肋弯管较之未切口逆向环肋弯管PEC提高10%-30%,90切口逆向环肋弯管PEC提高幅度小于10%。60°切口逆向环肋弯管换热效果最好。