石油开采工程中得到广泛应用的聚合物驱油技术得益于幂律型非牛顿流体高粘度、低热导率的性质,比普通水驱采油率高。同时螺旋形通道相对于常规直管通道剪切降解作用小,管内聚合物溶液处于高粘度下,进一步促进采油量。因此,深入探究幂律流体在螺旋管内流动换热特性是工程应用的基础,为实际换热技术的研究提供理论依据,对适应经济发展满足节能需求具有重要的现实意义。本文选用工程常见幂律流体CMC水溶液作为流动介质,参照实际非牛顿流体复杂物理性质,设定研究介质粘度、热导率为随温度变化的变物性参数。模型建立完成并经网格独立性验证,运用CFD软件对螺旋管内非牛顿幂律流体流动阻力和传热特性进行数值模拟研究,把本文数值模拟结果与文献的关联式计算结果进行对比,验证本文数学模型和模拟计算方法的合理性,然后针对三种不同螺旋管道流动工况、结构参数和相对粗糙度对沿程阻力系数和传热努塞尔数的影响,绘制两种系数变化规律的曲线图,并运用流动传热场协同进一步建立协同角与雷诺数、努塞尔数间联系,全面分析温度场与速度梯度场协同程度。在场协同原理分析典型螺旋管流动与传热规律的基础上,对本文典型螺旋管结构提出六种改进模型,定性分析卡槽结构尺寸和卡槽形状对于管内流动换热过程的影响,运用CFD进一步模拟不同卡槽结构下管内速度场、压力场和温度场分布情况,采用流动传热综合性能评价因子为指标对管道性能优劣进行评价,同时以云图的形式直观反映管内各处协同角数值大小。研究结果表明,层流工况下,螺旋管曲率增加会导致沿程阻力系数和传热努塞尔数都增大。这主要是因为曲率值与螺旋管扭曲程度有直接关系,管道扭曲程度增大带来的扰动作用阻碍流动同时削弱边界层厚度,使得流阻增大热阻减小。而且流体处于层流流动状态时,随雷诺数变化,沿程阻力系数和努塞尔数变化规律刚好相反,阻力系数减小,努塞尔数增大。湍流时能量损失受到雷诺数和管壁相对粗糙度共同影响,流速越大管壁越粗糙,换热效果反而越好。从场协同视角分析看,协同角大小与曲率值呈反比关系而与雷诺数呈正比,也就是说管道弯曲程度越大或流体流动速度越慢,温度场与速度梯度场协同角越小,两场协同程度越好;卡槽结构形状和尺寸变化都会直接影响管内对流换热情况,但槽进深的改变相对于同尺寸卡槽宽度来说对流动传热综合性能评价因子影响幅度更大。此外,流速增大,综合性能评价因子呈规律性变化。随雷诺数逐渐增大,评价因子先减小后增大再减小最后趋于稳定。场协同角分布云图显示,管道入口段协同角数值整体最小,随流动进行,角度慢慢变大。本文以场协同理论为基本出发点,基于先进的计算机手段,在数值模拟技术支持下,对幂律型非牛顿流体在螺旋管通道内部流动与换热过程进行探讨分析。目的在于研究管道内流动换热影响因素和沿程阻力损失及热量传递机理,并进一步运用流场与温度场协同原理综合评价管内对流换热程度,探索结构参数对整体强化换热性能的影响,从而优化管道设计,提高经济效益。