能源是一个国家的经济命脉，与人民的生产水平和生活环境息息相关，在整个社会中起着举足轻重的作用。随着各国经济的快速发展，能源紧缺已经成为当今世界面临的关键问题。换热器是工业生产领域中不可或缺的设备，开发紧凑型和高效型的新型换热设备成为解决能源问题的重要方法之一。本课题以提高换热器效率为研究目标，提出了一种外凸式螺旋波纹管新型换热元件。针对外凸式螺旋波纹管进行了如下研究：（1）应用CFD软件中的二维轴对称模型和三维模型针对光管进行了数值计算和网格无关性分析，确定了最优的第一层网格厚度以及主流区网格间距。将二维和三维的模拟结果与经验公式对比，验证了数值模型的正确性。另外，相比于三维模型二维轴对称模型可以在几乎不损失计算精度的前提下有效的减少计算量。（2）采用k-数值模拟方法研究了外凸式螺旋波纹管的换热性能，考察了螺纹间距P、螺纹深度H以及螺纹倒角r三个结构参数对其性能指标的影响规律，并且与波节管和光管的传热性能进行了对比分析。结果表明，外凸式螺旋波纹管的综合换热性能比波节管提高了18.4%～27.3%。其传热性能随着螺纹间距P的增加而减小；螺纹间距H的增加，不仅提高了其传热性能，同时也增加了阻力性能；而螺纹倒角r的增加可以使传热性能几乎不变的情况下降低阻力性能。（3）针对外凸式螺旋波纹管的流动和传热参数（速度场、温度场、压力场、湍动能以及湍动能耗散率）进行了深入研究，揭示了其强化换热机理，并且与波节管和光管的流动和传热机理进行了对比分析。考察了外凸式螺旋波纹管中螺纹间距P、螺纹深度H和螺纹倒角r对流动和传热性能参数的影响。研究结果表明，外凸式螺旋波纹管中螺纹内部压力梯度的变化使螺纹内形成一个脱体涡旋，这个涡旋会破坏流体的速度边界层和热边界层，而且增加了流体内部的湍流强度和热量扩散能力，起到了明显的强化换热效应。（4）本文采用响应曲面法对外凸式螺旋波纹管进行优化设计，确定影响因子与响应值之间的关系。通过方差分析得到回归模型中各响应值的线性项、二次项和交互项的显著性，从而得出各响应值对应的二元回归方程。采用响应曲面分析法研究影响因子之间两两交互作用，确定不同响应值中的各影响因子的影响显著性大小。通过帕雷托最优设计得到了外凸式螺旋波纹管的最优综合换热效率η曲线，η随Nu_h/Nu_s呈现先增加后减小的变化趋势，在Nu_h/Nu_s=1.5时达到最大值。