多组分非共沸混合气体冷凝现象普遍存在于天然气液化、混合制冷剂制冷等工业领域。在天然气分级冷凝过程中,其各组分(甲烷、乙烷、丙烷等)按照沸点由高到低依次冷凝,当一种组分冷凝时,其它组分作为不凝气体存在,阻碍其冷凝传热过程。探明非共沸混合气体冷凝过程的传热传质机理,对该过程的传热强化和相关换热装置的设计具有理论指导意义。本文通过数值计算及可视化实验,自编UDF多组分热质传递数学模型,研究了天然气液化各阶段的混合气体冷凝流动及传热传质特性,并提出了适合强化多组分混合气体冷凝换热过程的板翅式换热器翅片形式。通过搭建可视化低温实验系统,研究了丙烷蒸气膜状冷凝传热特性及液膜流动特性,得到了壁面过冷度以及液膜流动特性对冷凝传热系数的影响规律。实验发现,在实验工况下低温壁面上冷凝液膜呈波动层流,且当液膜雷诺数59≤Rel≤149时,冷凝壁面上出现较长的(8～10mm)孤立界面波;当液膜雷诺数149<Rel≤321时,界面波曲率较大,并出现破裂融合失稳现象,最终形成短小且不规律的波动形态。与Nusselt理论解相比,实验所得平均冷凝换热系数偏高,这是由于随壁面过冷度和液膜Re增加,液膜波动加剧,强化了冷凝换热过程。另外,平均冷凝换热系数随壁面过冷度的增加而降低,但壁面过冷度持续增加时其增加幅度逐渐趋缓。实验结果证明可以用Kutateladze的关联式来预测平均Nu数随液膜Re的变化规律。以扩散层理论为基础,建立了竖直壁面上含不凝气体的蒸气膜状冷凝传热模型。利用VOF方法捕捉气液两相界面,用组分输运模型求解气相的质量扩散,通过自定义函数计算两相之间的质量和能量传递,对含有少量氮气的甲烷气体的冷凝过程(天然气分级冷凝的最后阶段)进行了研究,分析了入口氮气含量为0%～13%、壁面过冷度为2K～20K工况下的冷凝传热传质特性。研究表明,冷凝过程的传热传质主要发生在壁面附近10 mm的范围以内。氮气的存在会导致甲烷气体的冷凝传热系数大幅下降,壁面过冷度为15K时,2%摩尔含量的氮气使得冷凝传热系数比纯甲烷冷凝时下降了 58.2%。在混合气体的冷凝过程中,冷凝液膜的外侧存在着具有一定浓度梯度的气相边界层,并且气相边界层比液膜层的厚度大两个数量级。在计算工况下,气相边界层的热阻最大达到了液膜热阻的60倍左右,气相边界层内的扩散阻力是决定整个传热过程热阻的限制性环节。入口混合气体氮气摩尔分数和壁面过冷度的增加均会导致冷凝传热系数随之下降。虽然不凝气体含量的增加会减薄液膜,但其对传热的贡献与由于蒸气浓度差减小而增加的扩散阻力相比可忽略不计。壁面过冷度的增加会使液膜和气相边界层都增厚,从而增加了传热和传质的阻力。为对天然气分级冷凝各个阶段混合气体的冷凝特性进行分析,对比了丙烷/甲烷、乙烷/甲烷和甲烷/氮气三对混合气体在竖直壁面上的冷凝流动与传热传质特性。在液化天然气的第一、二阶段,甲烷作为不凝结气体含量很高,而在第三阶段,氮气作为不凝结气体含量很低。分别对丙烷/甲烷、乙烷/甲烷和甲烷/氮气混合气体在平板上冷凝的平均传热系数研究发现,随着入口不凝组分摩尔分数分别从80%增加到95%、从65%增加到85%以及从2%增加到14%,三对混合气体冷凝过程的平均传热系数分别下降53.4%、58.3%和19.5%。因此,高浓度不凝气体会导致传热系数大幅度下降。不凝气体含量很高的第一、二阶段(丙烷/甲烷,乙烷/甲烷),气相边界层的热阻达到液膜热阻的一百倍以上,液膜层的热阻可以忽略不计;但是在不凝气体含量较低的第三阶段(甲烷/氮气),气相热阻是液膜热阻的几倍到几十倍,此时若忽略液膜热阻,计算时会引起较大的误差。并且,在不凝气体含量较低的工况下,壁面过冷温度对冷凝传热的影响更加明显,甲烧/氮气混合气体的传热系数随壁面过冷度的下降速率最快。根据数值计算结果,采用最小二乘法拟合得到了三个阶段的冷凝传热系数的预测关联式,可以作为设计计算的依据。建立多组分混合气体的冷凝传质模型,求解了丙烷/甲烷/乙烷三组分混合气体的冷凝传热特性,并与丙烷/甲烷两组分混合气体的冷凝过程进行了对比研究。分析了丙烷的摩尔分数为10%、乙烷和甲烷的摩尔分数分别为0～40%和50%～90%、壁面过冷度为10 K～40 K的工况下,不凝气体含量和壁面过冷温度对流动、传热和传质特性的影响。在丙烷/甲烷/乙烷三组分混合气体的冷凝中,近壁面处的组分浓度不再呈现单调分布,由于大分子量组分的携带作用,甲烷组分的摩尔浓度在壁面附近出现了峰值,而乙烷组分的摩尔浓度在壁面附近出现了谷值。相比于小分子量的甲烷气体,大分子量的乙烷气体在近壁面处更容易发生积聚,并且乙烷含量的增加会使得甲烷在壁面处的积聚作用变弱。另外,在丙烷/甲烷两组分混合气体中加入乙烷气体后,气相边界层和温度边界层出现了分离,并且分离的幅度随着乙烷含量的增加而逐渐增加,同时,乙烷组分的加入使气相和液相热阻同时降低,从而增加了冷凝传热系数。根据研究确定的非共沸混合气体冷凝传热过程的主要热阻位置,提出了翅片“微孔刺”强化传热传质的方法。即采用冲压工艺在原板翅式通道的翅片上加工出“孔刺”,用以强化含不凝气体的蒸气冷凝传热过程。建立三维“微孔刺”翅片通道的数值计算模型,研究了“孔刺”结构对丙烷/甲烷和甲烷/氮气混合气体的冷凝传热强化效果,并与平直翅片、锯齿形翅片和波纹翅片进行了对比分析。研究发现,传热系数在“孔刺”附近的位置大幅度增加,而且在其下游相对较长距离内都保持了较其上游更高的数值,说明“孔刺”结构能够对冷凝传热起到强化作用。其强化机理是,冲压“微孔刺”形成的小孔,可实现翅片两侧介质的质量和动量交换,对粘性底层和液膜的稳定性造成破坏;凸起的“刺”可以扩大冷凝壁面与气液界面以及气相边界层的接触面积并增强边界层的扰动。对于丙烷/甲烷混合气体的冷凝过程,“微孔刺”翅片相比于平直翅片、锯齿翅片以及波纹翅片,其综合性能因子j/f1/3分别提高了 1.78、1.68和1.69倍,证明“微孔刺”翅片可以有效地强化非共沸混合气体的冷凝传热过程。