板翅式换热器是天然气液化领域中的重要换热设备,流量分配不均而导致换热效率降低是实际运行中普遍存在的现象,因此如何改善换热器内部的流量分配特性,进而提高整体换热性能的研究,一直为国内外研究热点。基于此问题,目前学者采用三种研究方法,实验研究、数值计算和理论研究,然而由于换热器结构的复杂性,如换热器内部含有成千上万个直径为3至5mm的小通道,使三种研究方法各有利弊。因此数值模拟研究中多是对换热器的局部结构-入口封头进行研究,无法得到板翅式换热器整体结构内的流场与流量分配特性。实验研究由于测量技术的限制,无法对相变工况进行实验,缺少在天然气液化领域中存在的相变流动换热分析。理论部分主要对芯体的换热进行计算。而本文提出的联合仿真计算方法,将数值模拟和理论计算结合起来,不仅以整体结构为研究对象,还可以进行流动传热耦合计算和相变计算,这样可以使计算模型更加贴近现实工况,便于后续流动传热研究和结构优化。(1)本文首次在ISIGHT软件中将FLUENT、MATLAB、REFPROP等进行自动联合仿真。联合仿真中,FLUENT计算模型用于完成对入口部分和出口部分的三维流场稳态计算;MATLAB计算模型用于完成对换热器芯体内420个小通道的一维稳态流动传热计算,内部集成REFPROP软件,调用NIST物性参数和判断工质相态(单相或两相),并基于不同工质与相态选择不同的传热压降关联式;ISIGHT软件用于完成各软件之间数据传递,将FLUENT中420个小通道流量传递给MATLAB作为初始条件,将MATLAB计算的小通道压降和出口物性(密度和粘度)传递给MATLAB。(2)基于联合仿真以空气为介质研究板翅式换热器的流动特性、分配特性和阻力特性,计算结果表明:换热器内流动特性在横向的流量分配不均匀度纵向上表现出不同的特点,横向主要因入口封头结构不合理产生横向流量分配不均。纵向上因发生流体壁面分离产生旋涡,使纵向也存在流量分配不均,且流量分配不均匀度随着旋涡强度的消失减小。从路径压降的新视角分析压降特性,得到三部分压降不均是导致流量分配不均的根源。影响因素分析中发现:雷诺数主要通过影响入口压降的横向压降进而影响分配性能;提高芯体压降比例可改善分配性能。(3)基于丙烷预冷天然气的换热器实际运行工况,分别得到天然气侧和丙烷制的换热特性,两侧均存在由流量分配不均导致的出口温度分布不均现象。采用联合仿真方法首次考虑了天然气和丙烷在小通道内的沿程换热过程中,不同物性参数温度、温度和换热量的变化规律。计算结果表明丙烷因在芯体中发生相变,使得芯体压降比重迅速增大,致使丙烷侧的流量分配和出口温度不均匀度明显小于天然气侧。(4)导致板翅式换热器流量分配不均的主要原因为入口结构的不合理和出口压降占总压降的比例大。因此首次通过改变入口和出口方式对板翅式换热器整体结构进行优化。优化过程采用逐级递进优化,即依次优化入口管位置,入口管个数和出口管个数。得到最优结构组合为:a为0.033,入口管个数为5,出口管个数为1。计算结果表明,优化结构可流量分配不均匀度降低48%,出口温度不均匀度降低50%。