强化对流换热性能是提高能源利用效率的关键,有助于缓解能源供应紧张问题并降低碳排放。强化对流换热性能也是芯片等高热流密度部件对传热安全的要求。针对实际应用最广泛的通道内单相流,在较低流动阻力增加的条件下设计高效强化传热元件是当前研究的前沿,也是困扰国内外学者与工程师的难点。为此,本文围绕高效低阻强化传热问题,开展了以下研究工作:揭示了流体扰动对流动传热性能的影响机理。在场协同原理的基础上,提出了有效传热速度（Vh）,其定义为速度矢量在温度梯度矢量上的投影。理论推导表明,通道内努塞尔特数增加比等于平均有效传热速度增加比和无量纲温度梯度模的积分增加比的乘积,从而得到强化传热的四种方式。此外,提出了局部热对流数（Lu）,用于描述局部热对流性能;提出了热对流强度因子（Hf）,评价了整体热对流性能的强化程度。探索了多种工况下强化传热的低阻扰流模式。从减小不可逆损失的角度出发,在给定功耗下以传热?损最小为目标,利用变分原理从理论上推导了优化的流动模式的控制方程及其边界条件,从而将基于最小?损的变分优化方法从层流推广到湍流以及流-固耦合传热条件。研究发现,在多种流动传热工况下（均匀热边界、非均匀热边界以及流-固耦合传热）,优化的高效低阻流动传热模式均是多涡纵向旋流结合冷热交替温度分布。设计了均匀热边界下管壳式换热器管内高效低阻的层流强化传热元件。根据自然界的分形规律,提出了倾斜的两级分叉片管内强化传热元件。在给定壁面热流并且工质为水时,评价指标R3和EEC的最大值分别为6.66和1.32。为了简化分叉结构,提出了倾斜的单级四分叉的船桨形涡片。在给定壁面热流并且工质为水时,R3和EEC的最大值分别为6.05和1.38。设计了非均匀热边界下太阳能集热通道内高效低阻的湍流强化传热元件。在太阳能空气加热器内,提出了倾斜梯形涡发生器强化传热元件。在Re=6000-18000时,逆风对齐排布对应的R3和EEC的最大值分别可达1.89和0.98,热效率最大增加24%,?效率最大增加31%。在聚光式太阳能集热管内,提出了纵向旋流冲击冷却策略,并提出倾斜弯扭片强化传热元件。当入口温度从400K升高到600K时,上半管和下半管的壁面温差平均降低了55.1%,总效率和?效率平均提高了0.52%和0.22%。设计了处于流动传热进口区的微小通道散热器通道内高效低阻的强化传热元件。为了强化层流传热性能,提出了倾斜矩形片。在Re=100-1100时,强化通道R3和EEC的最大值分别为4.22和1.12。为了强化湍流传热性能,提出了形成纵向旋流以强化原始流动模式的强化传热策略,并提出了V形肋。当Re=3600-6800时,强化通道R3和EEC的最大值分别为2.06和0.89。