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工质的流动与换热问题广泛存在于各种工程技术领域,而对流换热理论及相应的强化换热技术研究一直以来备受国内外众多学者的关注。至今为止,有关对流换热理论方面的研究主要集中于基于能量方程的场协同理论,换热问题的熵产理论以及火积耗散极值原理;而在工业应用上,传统被动式的强化对流换热技术主要集中于利用不同类型的翅片,扰流物或改变流体物性（如纳米流体）等增加单侧流体的对流换热系数,从而达到传热强化的目的;众所周知,在冷、热流体通过间壁式换热表面的换热过程中,冷热流体流速受到换热壁面的影响,会导致流动过程的不可逆摩擦损失;此外,冷热流体间的热量传递依赖于温差,也带来一部分的不可逆热?损失。如何分析和评价对流换热过程的?损失,以及能否回收或消耗冷热流体间温差引起的热?损失用以强化传热将是本文研究的重点研究内容。在理论研究的基础上,本文设计制造了一种小型被动式换热装置作为强化元件,即单相自然循环回路,将其应用于换热器中;利用冷热流体的温差驱动回路内的第三流体进行换热,并对该结构下的传热机理进行了理论与实验研究。本文首先在Bejan教授所提出的对流换热过程局部熵产方程的基础上,推导出对流换热中的局部?损失方程,利用该方程分析了泊肃叶和库埃特对流换热过程的?损失和熵产分布。为了充分利用冷热流体间的换热温差以及?损失,对冷热流体驱动下的单相自然循环回路进行了一维理论分析和三维数值模拟及实验研究,研究了冷热流体温差和流速对瞬态以及稳态自然循环回路传热性能的影响;同时加工制作了自然循环回路阵列,利用搭建的高温低速风道,基于热力学第一定律与第二定律,实验对比研究了光滑换热板与自然循环回路换热板的换热性能,并分析计算了相同工况下,相同几何结构回路型翅片与该自然循环回路的换热性能。具体研究内容以及所得到的结论如下:首先,基于三维流体微元控制体积?平衡方程,推导出了对流换热中的局部?损失方程。将局部熵产代入至?损失方程中可以发现,流体流动换热过程中总的?损失主要由三部分组成;首先是由熵产引起的可用能损失,其大小等于局部熵产与参考温度乘积的负数,负号表示?损失;其次为粘性耗散以及内热源项产生的可用能增加,为非负;第三项为流体流动过程中由于压降造成的?损失。同时提出了局部熵产方程与局部?损失方程的无量纲形式,并对泊肃叶流和库埃特流进行了熵产和?损失分析。结果表明:（1）对于泊肃叶流,通道中心处的局部?损失最大;无量纲温差对?损失的影响较小,而随着PrEc增加,各个位置的?损失显著增加;（2）在库埃特流中,流动过程中无压降损失,只有温差和粘性耗散对熵产和?损失有影响;当Pr Ec较小时,熵产和?损失具有相似的分布,而随着PrEc的增加,粘性耗散的影响越来越显著。其次,建立了冷热流体驱动下单相自然循环回路的物理模型,并进行了三维数值模拟,分析了冷热流体温差以及流速对自然循环流动与换热的影响;同时根据获得的稳态结果,对自然循环进行了熵产分析及流动稳定性分析。结果表明:（1）由于自然循环边界的热不对称性,对于所研究的物理模型总会形成顺时针的自然循环流动。（2）随着驱动温差的增加,自然循环的启动时间越短,且达到稳态的时间也越短。而冷热流体流速对自然循环流动与传热的影响较小。（3）稳定状态下自然循环总熵产以及其无量纲熵产均随驱动温差的增加而增加。当对稳态时的自然循环流动施加一个微小扰动后,循环流动均能经过阻尼振荡后再次达到稳态。为了进一步验证自然循环流动与换热特性,搭建了自然循环回路传热实验台,实验系统考虑了壁面热阻的影响;同时建立了一维数学模型,以实验工况作为输入参数进行了理论计算,发现实验结果与理论计算结果吻合较好。结果发现:（1）在所研究的实验工况条件下,自然循环均可以由静止状态达到一个稳定流动换热状态,且流动方向均为顺时针。（2）稳态条件下,自然循环雷诺数Ress和换热量Q正比于流体驱动温差Th–Tc。（3）由于驱动流体侧的对流换热热阻较小,远低于导热热阻与回路流体侧热阻,因而本实验条件下,冷、热流体流量对自然循环回路的传热性能无明显影响。（4）通过实验数据分析,得到了回路流体侧的换热准则Nu～Re关联式,即为Nu=0.27Re0.4713。通过上述的模拟和实验可以发现,冷、热流体温差驱动下回路均可以形成稳定的自然循环;因此,为了进一步利用两流体之间的换热温差以及?损,将该循环回路视为一种新形式的强化传热元件,在一个平滑换热板上加工制作了几组自然循环回路,形成了一个自然循环回路阵列,其目的是为了探讨应用于实际换热器中的可行性,结果与光滑换热板进行了对比,并基于热力学第二定律定义了一个新的换热器评价标准,即换热器在单位?损失时的换热量;同时将单个自然循环回路与相同几何结构尺寸下“回路型”实心翅片的换热性能进行了数值模拟分析,得到主要结论如下:（1）换热器的换热量随着驱动温差以及冷源泵功的增加而增加。在所研究的工况下强化板的换热量、换热单元数、效率以及对流换热系数均高于光滑板;因而,强化板的强化换热比均高于1,且随着热源温度的增加而增加。（2）SPNCL在换热器中的应用会带来额外的?损失,然而从基于热力学第二定律的换热器评价来看,Loop阵列换热板的第二定律强化数φ均大于1,其范围为1.03～1.23。当fre=8Hz,Th=100℃时,第二定律强化数φ最大。（3）在相同的泵耗功以及热源温度工况下,单个自然循环回路的换热量均高于同结构固体翅片的换热量,且两者的换热量均随着驱动温差和泵耗功的增加而增加;换热比范围为1.07～1.46。