液化天然气(liquefied natural gas,LNG)以能量密度高、存储空间小的优势在城镇安全稳定供气中发挥重要作用,在供给用户使用前需使用气化器将其转换为气态才可输入城镇燃气管网。空温式气化器使用环境空气为热源气化并加热管内LNG,以节能环保的优势在城镇LNG气化站内得以广泛应用。然而由于缺乏对空温式气化器传热性能的基础理论研究,导致气化站内空温式气化器的选型缺乏理论依据,运行调节缺乏理论指导,给城镇燃气场站的运行管理带来技术上和安全上的隐患。本文从揭示空温式气化器的传热机理入手,采用数值模拟与实测验证相结合的方法,对空温式气化器的流动沸腾传热特性、空气侧结霜及内外场耦合传热特性展开研究,给出了不同环境工况下空温式气化器的最优切换周期,并提出了极值焓差法来确定空温式气化器在运行中的最大气化量,对空温式气化器的选型及运行调节具有重要的理论指导意义。针对空温式气化器翅片管的流固耦合传热特性展开研究,基于流固耦合传热问题的整场求解法,建立并求解LNG在单根翅片管内气化传热的整场数值模型,得出LNG翅片管内气化两相区壁面热流密度均匀恒定的分布规律,采用VOF模型数值预测出LNG在空温式气化器内气化的流型主要有泡状流、弹状流、搅拌状流和雾状流。建立了竖直圆管内LNG流动沸腾传热模型,在双流体模型和壁面核态沸腾的基础上引入双组界面浓度输运方程,可描述LNG在管内气化过程中的泡状流、弹状流及搅拌状流流型,并对LNG流动沸腾传热模型进行了验证与分析,分析了加热热流密度、运行压力及干度对管内流动沸腾传热系数的影响,将传热模型计算结果与已有的传热系数经验公式进行关联性分析与计算结果对比,得到了适用于LNG空温式气化器管内气化传热的流动沸腾传热关联式。根据空气中水在空温式气化器深冷壁面相变传热传质的质量和能量守恒关系,建立了深冷结霜数学模型并进行编程数值求解,并在LNG气化站内开展了空温式气化器壁面结霜厚度实验测试用于验证结霜理论模型。对深冷壁面霜层热阻的影响因素进行了分析,并定义了“霜阻峰值空气温度”。建立了结霜工况下翅片管空气侧传热模型,分析了结霜对翅片管空气侧传热系数的影响。利用流固耦合整场求解模型对空温式气化器管束传热特性展开数值模拟研究,分析了管束中各个翅片管的空气自然对流传热特性,发现翅片管在管束中的排列位置影响其空气侧自然对流传热系数,提出了管束不同位置翅片管间空气传热差异系数拟合经验公式,并采用LNG气化站内空温式气化器实验测试的方法对拟合经验公式进行了验证分析,该拟合经验公式可用于相对空气温度在0.2~0.46,相对气化量在0~0.9之间的空温式气化器传热计算。采用流固耦合传热问题的分区求解、边界耦合方法对空温式气化器单根翅片管的整体传热性能进行研究,分析了霜层厚度及传热系数沿翅片管长度方向的分布规律,发现了霜层热阻对翅片管传热系数分布规律的“延迟效应”,结霜工况下翅片管的整体传热性能随运行时间的延长逐渐下降,气化后天然气的出口温度逐渐降低,当温度不满足燃气管网要求时需要停机切换。利用已建立的单管流固耦合模型和管束空气侧传热差异系数经验公式,针对空温式气化器整体传热特性展开研究,分析了环境空气温度、气化量及甲烷含量对空温式气化器整体传热性能的影响,并给出了不同空气温度下空温式气化器独立应用时的切换周期。本文的研究工作,不仅能够改善LNG空温式气化器传热设计中使用简单估算法所带来的设计缺陷,也可为LNG气化站内空温式气化器的合理选型和优化运行调节提供理论依据。理论研究成果可适用于其他包含流固耦合传热和流动沸腾传热问题的换热设备或结构,具有普遍的理论指导意义。