受气候变化和低碳绿色能源发展趋势的影响,液态天然气(LNG)作为一种安全、清洁且经济的低碳能源愈发受到国内外市场的重视。在实际应用中,LNG需被加压至临界压力以上,再经接收站汽化才能满足下游复杂管网的需求。螺旋管汽化器具有良好的传热性能和适用于高压工况等特点,是LNG气化工艺流程中的关键设备,通过研究其内部的流动传热问题,可以为汽化器的设计生产提供理论依据。本文主要研究内容如下:首先,应用雷诺应力数学模型(RSM),在等壁温条件下,利用数值模拟对比了竖直螺旋管和直管内的超临界压力下LNG的流动与传热特性,经与实验数据对比,验证了数值模型的可靠性。分析了管内的LNG物性参数云图、流场、温度场云图以及换热系数沿管程的变化规律,讨论了由于离心力和浮升力作用形成的二次流对其流动和换热的影响,阐明了超临界压力下LNG在管内传热机理。其次,通过分析发现超临界压力下LNG在水平螺旋管内流动换热时,沿程换热系数发生振荡。鉴于水平螺旋管内其流动换热存在特殊性,本文通过数值模拟研究了影响其流动换热性能的几个重要参数(平均速度Vb、温度Tb、雷诺数Re、理查森数Ri、)的变化情况;讨论了操作参数(入口压为Pin、壁面温度Tw和入口质量流速Gin)对其换热系数的影响;并将自身模拟数据与其它超临界流体换热关联式进行了对比,对模拟数据进行回归分析,拟合出研究参数范围内超临界压力下LNG在螺旋管内的换热关联式。最后,根据实际的超临界螺旋管LNG汽化器的几何参数,建立了整体耦合传热模型,通过实验值与模拟值的对比,验证了数值模拟的可靠性,并基于多目标遗传算法对该汽化器内螺旋管的结构(螺旋管直径d,缠绕直径D,螺距b)进行了优化设计,通过灵敏度分析、单因素分析和三维响应面分析,研究了结构参数变化对管程传热性能和壳程阻力性能的影响,系统优化得到最优的结构参数。本文通过数值模拟对比了超临界压力下LNG在水平直管、竖直螺旋管和水平螺旋管内流动换热情况,清楚阐述了其在竖直螺旋管内的换热机理;讨论了操作参数对其在水平螺旋管内流动和换热的影响;最后基于遗传算法对实际的超临界LNG汽化器模型的结构进行优化,并通过实验验证了数值模拟的可靠性。通过以上研究为实际的汽化器的设计生产提供了重要的现实指导意义。