缩放管依靠粗糙肋面促进近壁区的强化传热,但难以进一步强化中心区的对流传热；长扭带,作为管内插入物,依靠对流体的旋流作用强化中心区的对流传热,但阻力损失很大。在缩放管内合理地间隔插入短截扭带——旋流片,利用其产生的自旋流运动,使近壁区和中心区达到协同的复合强化传热,对获得低阻高效的性能有重要意义。 首先应用热阻分析方法,对光滑圆管、内插旋流片的光滑圆管、缩放管、内插旋流片的缩放管四种流道内传热滞留底层、过渡流层和湍流中心区的热阻分布情况进行比较,结果表明旋流片使热阻分布向粘性底层转移,缩放管使热阻分布向湍流区转移。当缩放管与旋流片配合时,两股转移的力发生作用,可使热阻分布趋于合理,在旋流片下游热阻分布比较均匀,此时的复合强化传热效果也比较好,弥补了单纯采用缩放管只能对近壁区传热强化而无法促进中心区对流传热的缺点,使近壁区和中心区产生互补的协同传热强化。 采用数值模拟对光滑圆管和缩放管内分别插入不同结构形式的旋流片时下游不同位置的流阻和局部传热性能进行研究,分析了空气的自旋流衰减规律,得到最佳的局部综合性能。扭率大的旋流片综合性能优于扭率小的,插入光滑圆管时,相对于空管,其传热综合因子最高值为1.042,此时管道长度为26.3倍内径；插入缩放管时,相对于空管,其传热综合因子最高值为1.093,此时管道长度为35.1倍内径。此外,不同管径但具有几何相似的管道内具有基本相同的自旋流衰减规律。 以空气为工质,实验研究了在湍流条件下,光滑圆管和缩放管内分别插入不同结构形式的旋流片时流阻和局部传热性能,验证了数值模拟结果。研究表明,光滑圆管内插旋流片时,局部努塞尔(Nu)数随雷诺(Re)数的增大而增大,阻力系数随Re数的增大而减小,但阻力系数相对于光滑圆管的增幅基本不随Re数的变化而改变；缩放管内插旋流片时,局部Nu数随Re数的增大而增大,阻力系数及其相对缩放管的增幅都随Re数的增大而减小；适当增大Re数,将有利于综合性能的提高。对于光滑圆管和缩放管,分别在旋流片下游约20～25倍和25～30倍管径位置时,自旋流衰减结束。 建立了周期性单元模型,详细分析缩放管内带衰减性自旋流的三维湍流流动中的场协同现象,研究了轴向不同位置速度场与温度场的演变过程,结果表明,切向速度对强化传热影响很大,自旋流纵向涡使轴向速度和切向速度在同一数量级；改善了湍流中心区与边壁区流体速度场与温度梯度场的协同程度,使传热得到强化。 对缩放管内分别间隔插入四种不同几何结构的旋流片,在不同间隔率和湍流条件下不同Re数时的流阻与传热性能进行实验研究,结果表明：对于某一种旋流片,Nu数和阻力系数都是随着旋流片间隔率的增大而下降。在实验范围内的四种旋流片中,以传热综合评价因子作为目标函数,其最佳间隔率都是48.6,其中旋转角180°、扭率4.72的旋流片性能最佳,比光滑圆管、缩放管空管、内插旋流片的光滑圆管分别提高了21％、15％和16％。说明缩放管与旋流片的配合,比单一的强化传热方式具有更好的复合强化传热效果。