超临界二氧化碳（SCO2）高温透平是SCO2布雷顿循环发电系统中不可或缺的关键部件。由于SCO2高温透平轴端的干气密封耐热性较差,难以在透平的高温环境中工作,所以必须对透平主轴采取主动冷却措施,以降低干气密封的环境温度,保证密封的稳定运行。SCO2高温透平的主动冷却设计将一股低温SCO2流体,引入到叶轮和密封的主轴间隙进行旋转对流换热,达到冷却主轴并保护干气密封的目的。针对SCO2高温透平的干气密封冷却问题,本研究开展了 SCO2在主轴与机匣间隙内同轴旋转流动（即Taylor-Couette-Poiseuille流动,简称TCP流）和对流换热的数值模拟研究,并完成了 SCO2旋转冷却实验系统的方案设计。首先,本研究建立了数值模拟的物理模型,介绍了湍流模型、网格划分方法、边界条件等,并验证了网格无关性和湍流模型。由于缺乏可靠的SCO2TCP流换热实验数据,所以将数值模拟方法的验证分为空气TCP流换热的实验验证和环形空间内SCO2换热的实验验证。通过对比现有的实验结果,表明本研究采用的数值模拟方法可用于定量分析SCO2 TCP流的对流换热过程。其次,为探究SCO2 TCP流的局部流动和换热特性,选取SCO2透平轴间的典型工况进行流场和换热分析。结果表明:TCP流中泰勒涡是在旋转离心力和内外壁面压力梯度耦合作用下形成的二次流,并且TCP流泰勒涡不断形成并沿轴向环隙出口移动直至完全消散;泰勒涡对TCP流整体换热起一定的促进作用;篦齿结构对泰勒涡的形成有抑制作用,并且可强化TCP流的整体换热效果。随后,进一步探究泰勒数、轴向雷诺数、长宽比和半径比四种关键因素对SCO2TCP流的流动和换热影响规律。结果表明:减小泰勒数、增大轴向雷诺数、减小长宽比并增大半径比,可显著减少泰勒涡,提高流动稳定性,使泰勒涡转捩过程不易发生;泰勒数的增加,提升TCP流的周向流速并增强泰勒涡,对整体换热的强化效果最好;轴向雷诺数和半径比的增加,使轴向流速增大而泰勒涡减少,强化换热的效果次之;长宽比的增加,使参与换热的轴向距离增长,使整体换热效果减弱。为预测TCP流的稳定性和泰勒涡转捩的起始位置,总结出TCP流各工况的稳定性分布和泰勒涡转捩点与四种关键因素的关系式;为预测TCP流的整体换热效果,引入温度场和几何结构的影响,并整理出了新的换热关联式。最后,为验证SCO2高温透平主轴冷却设计方案和SCO2 TCP流数值模拟研究的可靠性,对SCO2旋转冷却原理型实验系统进行了整体方案设计。在实验系统中,设计了非接触的电磁感应加热系统,以解决高速旋转面的快速加热和控温问题;采用了磁性联轴器进行全封闭设计,以解决实验平台的高压密封问题;设计了热电偶与高速滑环组合的转轴表面测温系统,以解决高速转子壁温的精确测量问题。通过对SCO2 TCP流进行数值模拟,研究了局部流动和换热特性,以及多种因素对流动换热的影响,总结了泰勒涡转捩点位置计算式和换热关联式,并设计了新的旋转冷却实验系统,为开展相关实验研究奠定了理论基础。