在重质油开采中,注汽锅炉是生产高温高压蒸汽的关键设备,其安全高效的运行直接影响稠油开采的经济性。注汽锅炉现场使用的套管式换热器的长度在8.5m左右,现有的结构体积庞大、应力条件复杂。应用多场耦合数值模拟的方法对注气锅炉套管换热器中涉及到的流动、传热和结构强度问题展开研究,在保证现有结构套管式换热器的换热能力前提下,通过适当的强化传热技术,实现换热器结构的优化设计、减小换热器的体积和重量显得尤为重要。本文首先介绍了目前换热器强化传热发展概况和套管式换热器的多场耦合数值方法的研究现状。以油田注汽锅炉套管换热器为研究对象,在建立套管换热器整体模型和套管换热器流场、结构和温度场的多物理场的耦合计算模型的基础上,应用计算流体力学软件和有限元软件对整体模型进行了分析,得到流场和温度场分布特点。并应用多场耦合的方法在不同操作参数下对套管换热器结构进行了有限元分析,掌握了换热器的结构变形和应力分布规律。找出换热器传热和结构强度的薄弱环节,为套管式换热器的改进设计提供理论依据。在以上研究基础上,建立了波纹管流动和传热的数值模型,实现了换热器波纹管结构的参数化建模。以换热量、内管阻力和环隙阻力为评价指标,制定了波纹管4因素3水平正交试验,对9种结构的波纹管分别进行了数值模拟分析,得到了各结构参数对波纹管的换热和阻力性能的影响规律,并用综合平衡的方法确定最优的波纹管结构参数组合。再对优选的波纹管结构与进行流场、温度场和结构场进行数值分析,表明优选的波纹管的结构在相同换热能力条件下,尺寸明显减小,阻力损失没有显著增大,在极限条件下仍能满足强度要求。该研究为换热器的设计和应用提供了理论依据和研究方法。