本文针对单相水为工质的水平圆型管道实验段进行等比例建模,采用ICEM软件对几何模型构建六面体全结构化网格;以FLUENT平台上提供的模型为基础,依据水平管道的摇摆运动方式构造非惯性坐标系下的外力模型,以此建立适用于摇摆条件下水平管道内单相水流动与传热的数理模型。根据理论分析添加动量源项,编写自定义函数,并将摇摆运动规律与动量源项表达式加载到FLUENT接口上。对摇摆条件下水平圆管开展了三维非稳态数值模拟研究,分别采用具有时均化方法的两方程k-ε模型、七方程RSM模型、以及具有非时均化方法的大涡各亚格子模型,并将各计算结果与实验数据进行比较,最后确定了最佳模型即大涡WMLES S-Omega模型。在验证数学物理模型可靠性的基础上,对摇摆中的各工况下水平管道内单相流体进行流动与换热的LES数值模拟研究。本文分别对静止和摇摆工况进行了大涡模拟,分析了静止工况和摇摆工况下管内流体的流场分布以及瞬时速度场的变化规律,并进行了比较。通过受力分析推导出摇摆条件下管内摩擦阻力系数公式,重点分析了摇摆条件下测试段内的压降组成以及各瞬时压降的变化规律。采用壁面恒热流密度边界条件,研究了摇摆运动对传热特性的影响。分析了管道壁面、近壁面流体的瞬时温度变化规律以及平均对流换热系数分布,最后对静止和摇摆条件下出口流体的温度进行了比较。重点研究了摇摆周期、摇摆幅值、雷诺数以及摇摆半径等因素对流动与传热特性的影响。数值仿真计算结果表明:摇摆条件下,瞬时摩擦阻力系数、瞬时速度和瞬时温度随时间周期性波动,横截面上与摇摆轴平行的水平线上各位置的瞬时速度和瞬时温度波动周期为摇摆运动周期的一半,其他位置的瞬时速度和瞬时温度波动周期都与摇摆周期相同,瞬时速度和温度的波幅从横截面顶底两端向截面中间逐渐减小;当其他因素相同时,随着摇摆振幅的增大,速度波动幅度、测试段驱动压降、重位压降、切向压降、离心压降的峰值和波动幅值、摩擦阻力系数的峰谷值和平均值都逐渐增大,而壁面瞬时温度值、壁面温度波动幅值、时均值却都减小;当其他因素相同时,随着摇摆周期的增大,顶部壁面瞬时温度的最大值、壁面温度变化幅值与时均值都增大,而各监测点平均速度、速度波幅、测试段驱动压降的变化范围、切向压降、离心压降以及摩擦阻力系数的峰谷值及平均值都减小;摇摆条件下随着流体雷诺数的增大,测试段内摩擦阻力系数和顶部壁面温度的波动幅值和平均值都减小。此外还发现摇摆半径越大,其摩擦阻力系数的波动范围越大,而摇摆半径对水平管内传热基本没有影响,这可以从一定程度上说明摇摆运动下科氏惯性力是影响水平圆管内传热的主要因素。摇摆条件下水平管道内会出现二次流,二次流是造成摇摆条件下流体流动传热与静止工况区别的重要因素。在海洋条件下,摇摆运动会产生周期性变化的附加惯性力,而附加惯性力的存在会引起流动与传热边界层的变化,最后造成了水平圆型通道内流动阻力以及传热系数的变化。