多股流绕管换热器，具有耐高压、紧凑性好、易于大型化以及能承受较大的温度梯度等优点，已被广泛应用于石油化工、空气分离、核电以及天然气液化等领域。然而，针对多股流绕管换热器内部传热及流动特性的研究相对匮乏，尤其是对于天然气液化领域，换热器内部存在着复杂的多元多相混合物沸腾和冷凝相变传热及流动问题，缺乏基础实验数据和成熟的理论设计，以致难以实现绕管换热器的准确设计。急需开展多股流绕管换热器的传热及流动特性研究。本文针对应用于低温混合工质制冷循环的多股流绕管换热器开展了理论建模、数值计算、设计及实验测试等相关研究。　　(1)利用计算流体力学(CFD)软件，对绕管换热器壳侧工质的单相和两相流动换热进行数值计算，分析了不同工质种类、质量流率、饱和压力、壁面热流密度、几何结构条件下，传热和压降在换热器壳侧的分布规律。分析绕管换热器的几何特征，提取周期性三维微元结构和周期性边界条件，并以此为基础建立了绕管换热器周期性三维微元数值场模型，与常规的全局非结构化网格数值计算相比，大幅减少了数值计算量。选取天然气液化领域常见的氮气、甲烷、乙烷及其混合物为工质分别进行计算，获得了壳侧单相及两相流动与传热数据。分析表明:对于壳侧单气相流动时，饱和压力及热流密度对Nu数和摩擦阻力系数f的关联影响很小，而雷诺数的影响显著，占主导地位;对于壳侧降膜流动沸腾时，质量流率对传热具有显著影响，质量流率的增大带动液膜流速增加进而促进流动沸腾传热系数的上升;对于壳侧剪切流动时，在高干度时，随干度和质量流率的增大，剪切作用增强，传热系数显著增大。　　(2)搭建了一个绕管换热器壳侧水力学测试平台，以空气为介质对自制的4层绕管换热器模型进行了实验研究，并与经验关联式和数值计算结果进行了对比。测试工况涵盖空气流量15m3/h-80m3/h，对应雷诺数为1000-5000。实验范围内随着雷诺数的增大，壳侧单位压降增大。对实测的单位压降数据进行整理分析，并与文献中5个经典关联式计算结果及前述数值模型计算结果进行对比，最优经验关联式的平均相对偏差12.82％，数值模型的平均相对偏差14.01％;但传统经验关联式的应用工况范围窄，外延性较差，关联式的拟合依赖于广泛的实验数据;而前述的数值模型对不同结构的绕管换热器均能准确计算，与传统经验关联式相比更具有通用性。　　(3)利用Aspen Hysys和Matlab软件，结合遗传算法，建立了双混合工质制冷循环(DMR)的天然气液化系统优化模型。对包含组分、压力、温度、流量等15个变量的DMR系统进行参数优化分析，结果表明:系统存在一个最佳分离温度使得系统（炯）效率最高，在分离温度为240K时，系统（炯）效率最高为48.47％，最小比功耗为0.1853kWh/Nm3，对应主冷冷箱（炯）效率为79.03％。优化后，低温多股流换热器的（炯）效率均高于90％，满足真实系统要求。通过对流程中关键参数的优化计算，分析其对系统效率的影响，得到多股流换热器的最佳运行工况，为后续的多股流绕管换热器具体结构设计提供支撑。　　(4)建立了低温多股流绕管换热器的结构优化模型，对壳体直径、传热管数、换热器高度、缠绕角度等进行了多参数集总优化分析，获得了流体温度、换热温差、对流传热系数等在绕管换热器内的沿程分布。优化模型采用遗传算法，具有全局搜索和智能自适应优化能力，实现了对低温多股流绕管换热器复杂非线性结构优化问题的准确求解。为验证该模型，本文设计搭建了一个小型低温绕管换热器实验平台，并开展混合工质深低温试验研究。研制的绕管换热器实现了降温至液氮温区的目标，且管壳侧压降均在设计的15kPa以内。基于上述工作，为进一步固化设计流程，开发了多股流绕管换热器的设计软件。利用Matlab和Visual studio建立了绕管换热器的几何结构模型、管壳侧传热压降模型及交互式设计界面，实现绕管换热器的简单快速设计。　　综上所述，本文基于低温多股流绕管换热器的设计应用需求，开展了壳侧气相流动传热、壳侧两相流动传热、换热器实验测试、低温混合工质系统优化、换热器结构参数优化及软件开发等研究。本文建立的CFD数值模型和遗传算法优化模型对于流道结构复杂的绕管换热器设计计算具有积极的指导意义，实测数据和研发的设计软件对于其工程应用具有重要的实际价值。