能源危机与环境污染是当前全球面临的两大挑战。作为能源利用与转换的主要设备,内燃机成为了节能与减排的主要对象。应用代用燃料、改善缸内燃烧过程、回收余热是最被看好的几种内燃机节能减排技术。根据我国“缺油、少气、富煤”的基本国情,同时由于煤制甲醇的工业化应用非常成熟,项目组前期提出一种集内燃机余热回收与改良甲醇燃料于一体的新型联合热力循环,有望解决甲醇在内燃机上直接应用的难题,并同时实现提高系统总能效率、降低排放多重目的。本论文致力于研究“余热回收-甲醇裂解”底循环的核心环节—甲醇裂解换热器设计优化及底循环流动/传热过程数值模拟几个关键科学问题。论文提出了一维热力学性能计算与三维CFD数值仿真耦合的甲醇裂解换热器的设计方法,基于课题组提出的一种新型甲醇裂解换热器概念模型,完成甲醇裂解换热器的一、三维设计开发,并制作出甲醇裂解换热器样品。在此基础上,搭建了“余热回收—甲醇裂解”底循环试验。根据实测数据重新标定仿真模型,对甲醇裂解换热器内甲醇流动/传热过程开展了多轮数值模拟优化,得出甲醇流动传热过程随内燃机排气参数的变化规律。“余热回收-甲醇裂解”底循环试验结果表明:以甲醇裂解换热器出口状态考虑的底循环系统余热回收利用率高达35%-45%,而以进气状态考虑的底循环系统余热回收利用率最大为17.76%;甲醇裂解率对以甲醇裂解换热器出口状态考虑的底循环系统余热回收利用率几乎无影响,却直接影响以进气状态考虑的底循环系统余热回收利用率的大小。改善甲醇裂解换热器的流动传热过程必然可以提高底循环的余热回收利用率。于是,基于试验提供的相应边界条件,运用CFD模拟计算方法,对排气流场与甲醇蒸汽流场进行了流动传热过程分析,并提出了改进模型,计算结果表明排气流场与甲醇流场的压力损失分别降低了439Pa和3945Pa,而平均表面换热系数分别增加了4 W/(m~2·K)和7.6 W/(m~2·K)。分析结果为以后的高效甲醇裂解换热器设计提供了一种可行的思路。通过本文的研究,解决了“余热回收—甲醇裂解”底循环流动/传热过程的若干难题,完成了甲醇裂解换热器的设计、优化,实现甲醇传热过程和流动过程的协同优化,有效降低了甲醇裂解换热器内传热与流动损失,同时为设计高效、低阻的传热设备提供了一种新的思路。