随着设计方法及制造工艺的不断提高,近年来印刷板式换热器以其体积小,换热效率高的优势得到各行业的广泛关注和认可,尤其在航空航天,船舶工程和石油化工等领域均有很大的应用前景。本文以印刷板式换热器为研究对象,基于气热耦合数值模拟方法,对海水与天然气之间的流动和换热特性进行了数值研究,包括不同换热通道几何尺寸和匹配方式对温度、压力和密度等参数的影响规律,换热器内部各区域的温度和压力分布规律,并在此基础上对印刷板式换热器结构进行优化。主要创新点包括,通过考虑真实天然气密度、比热和粘性等物性参数随温度的变化,更精确模拟管道内流动与传热过程;基于数值仿真方法,获得一种真实的印刷板式换热器的总压恢复系数和温度特性的变化曲线,得到了较优的换热管路结构参数,并且通过将实验数据与数值模拟结果对比,验证了计算方法及设计结果的可靠性,为印刷板式换热器结构优化设计奠定了基础。具体研究成果如下:研究表明降低流速可以提高印刷板式换热器管内流体与外界的热交换能力,并可降低总压损失,减少相应的泵功,同时可降低换热管强度要求。而换热管弯角的减小使得相同长度内换热面积增大,同时随着换热管的周期性弯曲,主流流体和附面层流体之间的相互掺混增强,因此也增强了换热能力。而随着管壁粗糙度的增加,管道换热能力增强,但流体与管道的摩擦力增大,总压恢复系数降低,当粗糙度为12.5μm时,总压恢复系数较光管降低10%左右。由于冷却介质流量随着换热管直径增加而增多,换热能力也随管道直径增加而增强。通过A、B、C三种管道与不同流速匹配方式的研究得出,所有方案均能满足设计的换热要求,且天然气进出口温度下降较设计值增加约5%,但由于方案A水流进口速度较大,其海水管道压损可达318540Pa,而在后两种方案中,降低海水流速后压损为88180Pa,满足设计压损低于1bar的要求。从管道内部换热特性来看,天然气和海水的换热主要集中在天然气进口至50%管道长度内,该区域内天然气温度下降可到80K以上,而后半段温度下降不足30K。通过减小天然气管道直径,可有效减小设备高度,当管道直径由2mm下降至1.5mm时,虽然天然气管道内压降略有提高,但换热能力和压降均满足设计要求。综合考虑换热与压降要求,该方案是本设计中的最优方案。