超临界CO2动力循环系统具有设备少、热惯性小、运行灵活以及效率优势等特点,已被考虑广泛应用于核电、高温光热发电和燃煤发电等能源领域。作为能量输运介质,超临界CO2流动传热问题对于超临界CO2动力循环换热设备的设计及运行至关重要。目前,根据超临界单相流体假设提出的浮升力效应和流动加速效应并不能完全解释实验中观察到的超临界传热现象。对于超临界流体传热机理,特别是传热恶化的原因仍存在诸多争议。本文通过RANS数值模拟、实验测量和理论分析,从超临界CO2池式换热和管内强制对流换热两个方面探究其传热特性及机理,旨在为超临界CO2动力循环换热部件的设计优化及安全运行提供理论指导。为探究超临界流体池式换热与亚临界池沸腾换热之间的异同点,通过数值模拟研究了水平加热金属丝在超临界CO2流体环境中池式换热的规律及机理。在宽广参数范围内获得了超临界CO2池式换热qw～ΔT曲线,在超临界CO2池温Tb低于类临界温度Tpc（Tb<Tpc）的条件下发现,当加热壁温Tw<Tpc时,超临界CO2池式换热类似于亚临界单相自然对流传热,即表现为单相自然对流换热特性;当Tw>Tpc时,超临界CO2池式换热类似于亚临界膜态沸腾传热,即表现为类膜态传热特性。在Tb>Tpc的条件下,超临界CO2池式换热仅表现出单相自然对流换热特点。讨论了加热壁温Tw、池温Tb和压力P等参数对超临界CO2池式换热的影响。进一步分析表明,超临界池式单相自然对流换热性能主要受加热丝近壁区流体热物性及其流场强度的变化所影响,超临界池式类膜态传热主要受类气膜导热热阻R所制约。鉴于现有对圆管内超临界CO2对流传热的研究主要集中于垂直上升流动换热,本文实验测量了垂直下降圆管内超临界CO2跨类临界点强制对流传热,在压力P=7.58～15.5 MPa,热流密度qw=145～217 kW/m2,质量流速G=580～1000 kg/m2s范围内,获得超临界CO2传热管壁温度及对流换热系数。实验结果表明,圆管壁温随热流密度qw的增大或质量流速G的减小逐渐升高,对流换热系数逐渐减小;在低热流密度qw或者高质量流速G条件下,会发生传热强化现象。为进一步揭示流动方向对超临界CO2传热的影响,通过数值模拟的方法对圆管内超临界CO2垂直上升流和下降流之间流动传热进行对比分析。计算结果表明,超临界CO2垂直向下流动比向上流动时表现出更优越的传热性能,甚至能够抑制传热恶化发生。当热流密度越大、或质量流速和运行压力越小时,不同流动方向之间的传热性能差异越大。在此基础上,基于超临界类相变假设,类比于垂直圆管内亚临界膜态沸腾传热模型,建立超临界CO2对流传热类膜态传热模型,即包括覆盖在管壁的低密度类气膜和核心区高密度类液相。提出了综合反映类气膜或类液区厚度、热物性参数和湍流强度等多种因素影响超临界传热的湍流热阻机理,发现相对于核心类液热阻RL,近壁类气膜热阻RG对热扩散的影响占主导地位,局部较大的RG是导致超临界传热恶化的决定性因素。此外,与向上流动传热相比,向下流动时的RG和RL都较小,合理地解释了向下流动时内壁温度低于向上流动并且能够抑制传热恶化的原因。探究半周加热条件下超临界CO2传热特性及机理对于加热器的设计和安全运行也是非常重要的。基于超临界类膜态传热模型,通过数值模拟揭示周向均匀加热和半周加热垂直圆管内超临界CO2传热异同点以及半周加热发生传热恶化的原因。计算结果表明,半周加热的传热恶化机理与均匀加热相同,而且半周加热时类气膜热阻RG,h和核心类液区热阻RL,h均比均匀加热时更小,说明了半周加热方式能够抑制超临界CO2传热恶化发生,具有更高的临界热流密度。倾斜圆管是换热设备中管型布置的一种重要形式。通过对倾斜圆管内超临界CO2流动换热行为进行数值模拟研究发现,倾斜圆管内超临界CO2跨类临界点流动换热特性与倾斜管内亚临界气-液两相流动传热现象类似,其传热恶化机理与垂直圆管内超临界CO2传热相像,并且受圆管横截面内二次流强度的影响。计算结果表明,热流密度qw和倾斜角度越大,圆管顶-底母线壁温差异也越大。因此,在工程实际中,当超临界CO2跨类临界点换热且qw较大时,因避免采用倾斜式换热通道,以防止因周向剧烈壁温差异而导致管壁失效。此外,与超临界CO2垂直管内流动换热不同,超临界CO2倾斜向下流动时顶母线壁温Twi总体高于倾斜向上流动。