本文使用数值模拟工具FLUENT对水套炉内天然气燃烧过程进行了数值模拟研究，分析了火筒内流场、各组分分布、温度分布和NOx污染物排放规律。火筒壳体的温度分布特性分析表明，火筒壳体烟气出口周围形成局部高温区，导致热应力增大，应采取必要保护措施或进行加固；天然气三维湍流扩散燃烧规律数值模拟结果表明，过高的速度比不但会造成火筒内O2和NOx浓度升高，还会造成火筒出口及火筒壳体出口附近温度升高；与其他情况相比较，180m3/h的燃料量能形成良好的低氧燃烧环境，降低火筒出口和火筒壳体出口附近温度并降低NOx污染物排放。　　 对于内肋套管，在雷诺数Re=200～1200范围内，平均换热系数和范宁摩擦系数的模拟结果与实验结果偏差小于20％。通过多参数拟合得到了努谢尔特数、范宁摩擦系数与雷诺数、肋几何参数的关联式，分析了每周肋片个数、肋片的结构参数(肋片高度、长度、宽度等)对换热和阻力性能的影响。通过对正交实验结果的比较分析，指出了肋几何参数的优化方向，综合性能最优的内肋管与光管的对比表明，优化的肋参数与换热能力增强之间的关系满足强化换热的场协同理论。在所采用的实验条件下首次发现存在一个“热力性能增速不稳定区”，在此区域内，平均换热系数会有一个陡变的过程，这一发现为工程中内肋管管内流态的判断提供了理论依据。此外，实验研究了含水率及蒸汽温度对流动和传热性能的影响规律。所得的实验关联式及优化参数对于换热设备的结构优化和工程应用具有重要的指导作用。　　 针对不同的换热管和换热介质的换热过程，分别建立了数学物理模型，运用FLUENT软件进行了数值模拟。首先对原油在三维波纹内肋管内的流动与换热规律进行了分析，通过对不同结构尺寸和不同运行参数下的流动与换热规律的对比得出了强化换热的条件和最优的运行参数，进而得出烟气物性变化对流动与换热性质的影响以及波纹内肋管的强化传热效果和压力损失特性。火筒热力特性的模拟结果说明火筒表面热负荷设计值不宜超过96kW/m2。　　 最后，建立了新型水套加热炉整体结构优化设计数学模型，对1750KW新型高效水套炉的壳体、加热盘管和加热系统等整体结构进行了优化设计，1750KW新型水套炉设计热效率由83％提高到90％，同时，所需钢材耗量由17.7吨降低到9吨，即水套炉的钢材耗量由11.6t/MW，降低到6t/MW，钢材耗量减少48％，达到国际先进水平。通过采用强化传热技术，将烟管火筒的长度减少50％、宽度减少40％，将火筒烟管结构布置在加热炉筒体的底部，增大了筒体的空间利用率;筒体直径由2.8m调整到2.2m，筒体直径减少21.4％，同时将筒体长度减少一半左右;将加热盘管的排列方式做了相应的调整，增大了单位筒体体积内换热盘管的面积，换热结构更加紧凑。