采用清洁能源代替传统化石能源是世界能源供应体系的迫切需求，在能源清洁替代的过程中，天然气作为化石能源中的清洁能源，仍将是世界能源的主力军。基于浮式液化天然气生产储卸装置的深远海天然气开发已成为世界能源领域重要发展方向，主低温换热器是浮式液化天然气生产储卸装置的核心装备，其体积占液化系统60%以上。大幅提升高压、受限条件下主低温换热器的紧凑性，同时满足恶劣海况条件，已成为开发先进浮式液化天然气装置的关键。目前液化天然气装置中主低温换热器主要采用绕管式换热器和板翅式换热器，将传统大型液化天然气装置向移动化、小型化的浮式液化天然气装置推广中，这两种换热器均具有较为明显的缺点。板翅式换热器虽然具有紧凑度高、重量轻等特点，但是其焊缝在高压、大温差、晃荡等恶劣海洋条件下，容易引起变形、泄露等问题，可靠性难以保证。绕管式换热器虽然承压能力强、耐大温差且可靠性高，但其紧凑度低、设备体积重量大、投资成本高，限制了整个浮式液化天然气装置紧凑性的提升。相对于板翅式换热器和绕管式换热器，印刷电路板换热器具有高效可靠和高紧凑度的特点，有望作为浮式液化天然气装置的主低温换热器。本文以天然气跨临界液化过程作为研究背景，围绕该过程中印刷电路板换热器通道内流动传热机理和通道间流量分配规律展开研究工作。主要的研究内容和结论如下：
（1）建立基于印刷电路板换热单元的天然气跨临界液化数值模型，对比研究发现跨临界流动过程在数值模拟中可处理为单相流动，单相模型与多相流模型计算结果几乎相同。对稳态条件下天然气跨临界液化过程中的局部流动传热特性进行数值模拟研究，发现跨临界流体的比热容和质量流量的沿程变化对沿程局部温度分布具有最突出的影响，当跨临界天然气的流量与氮气流量的比值较小时，可能会存在夹点问题，此处流体温差最小，热流密度达到最小值，换热效果最差。与常规流体间的换热规律不同，跨临界流体与常规流体换热能力最强的区域出现在两侧流体温差最大和最小之间的某一位置。跨临界天然气的局部压降沿流动方向呈现开口向上的抛物线形状，在拟临界点附近压降达到最小值，拟临界点之前阻力系数随温度的降低变化较为平缓，拟临界点之后阻力系数的提升相对显著。随运行压力的提高，印刷电路板换热器的换热能力随之增强，同时压降也随之提高，且随运行压力的增加，印刷电路板换热器综合性能提升。
（2）建立海洋条件下印刷电路板换热器的流动换热摇摆动态数值模型，对摇摆条件下换热器内跨临界天然气的流动传热机理进行了研究，发现摇摆条件能够增强跨临界天然气在印刷电路板换热器内的局部换热能力，同时也将提高换热器的压降。对不同摇摆时刻和天然气不同状态时的流动传热特性进行对比分析，结果表明1/4周期和3/4周期时刻努塞尔数和压降提高量最大，在2/4周期和4/4周期时刻提高量最小，与稳态时几乎一致。对摇摆条件下强化传热机理进行了研究，结果显示摇摆所产生的切向力能促进流体的翻转，增加流体的扰动，使流体与流道上壁面之间的换热增强；摇摆所产生的科氏力使流场更加紊乱并产生不同的流向涡，从而促进流体换热能力；摇摆所产生的离心力虽然量级较大，但其对流体换热能力的提高有限。在亚临界区域，天然气传热特性受横摇的影响最大，努塞尔数瞬时提高量最大可达40%，其次为拟临界区域，努塞尔数瞬时提高量最大约为15%，而超临界区域内天然气传热特性几乎不受摇摆条件的影响；拟临界区域附近天然气的流动特性受摇摆工况的影响最大，此处摩擦阻力系数和局部压损相比静态条件提高近30%。对摇摆参数的影响进行了研究和讨论，结果表明摇摆周期较小时，努塞尔数的提高随摇摆幅值的提高呈线性增长；当摇摆周期≥4s时，或当摇摆幅值≤5°时，努塞尔数受摇摆条件的影响较小，趋于恒定。
（3）建立印刷电路板换热器的流量分配预测数学模型，研究了不同损失占比对流动均匀性的影响规律，发现提高沿程损失的占比能够有效提升流量分配的均匀性，不同通道流量分数随沿程阻力占比的提高呈线性趋势向平均值趋近，由于流量分配不均的现象不可避免，换热器设计时局部损失安全系数应大于0.16。讨论了换热器总流量和通道长度对流动均匀性的影响规律，发现流道长度增加使沿程损失占比提高进而促进流动均匀性；而流量增加时，沿程阻力系数减小速度相比局部损失系数更为迅速，使得沿程损失占比逐渐减小，流动均匀性变差，同时沿程阻力系数在过渡区存在拐点，拐点附近不均匀度达到峰值，印刷电路板换热器设计过程中应尽量避免设计点出现在过渡区域附近。