目前,以超临界二氧化碳（Supercritical-CO2,S-CO2）为工质的布雷顿循环系统,因诸多优点在余热回收、第四代核反应堆、太阳能集热发电等领域具有很好的应用前景。作为在高温、高压、高速下工作的闭式循环,其涡轮机械的效率受到轴端密封的严重影响。因此,需采用高性能密封技术达到近似零泄漏的密封效果。干气密封相比任何一种应用于该工况下的其它密封而言,因其出色的密封性能而被推荐使用于S-CO2涡轮机械。尽管干气密封在石油化工与能源电力行业中已得到广泛应用,但还没有可适用于S-CO2涡轮机械的干气密封设计准则。可见,研究开发S-CO2涡轮机械用干气密封,并形成一套S-CO2干气密封设计理论与方法,对提升我国高端干气密封自主化研制水平,以及促进S-CO2布雷顿循环系统在我国能源领域的应用具有重大工程价值与战略意义。对此,本文采用理论建模与试验相结合的方法对S-CO2干气密封开展了深入研究。选择考虑离心惯性力效应的层流Reynolds方程作为压力控制方程,并分别以维里方程、Lucas方程描述二氧化碳的实际气体效应与实际粘度。然后,基于N-S方程与能量守恒定律,建立了绝热状态下考虑离心惯性力效应作用的能量控制方程,以此对层流润滑理论进行了完善。通过有限差分法对层流动力润滑模型进行数值求解。阐述了边界条件与离心惯性力效应对流场分布的影响,初步揭示了多重复杂效应作用下的气膜内相态分布规律与其主要影响因素,以及获得了稳态密封性能变化规律。为探究高工况参数下的S-CO2干气密封性能,采用了考虑离心惯性力效应的湍流Reynolds方程,并选择了Ng-Pan湍流系数表达式与Constantinescu惯性系数表达式。然后,对湍流系数与惯性系数在过渡区不连续的现象进行了修正。通过调用NIST开发的物性软件REFPROP获得二氧化碳真实物性。根据普适能量方程,通过引入包含湍流效应、离心惯性力效应的平均速度,建立了绝热状态下可压缩流体简化能量方程。通过对经修正完善的湍流动力润滑模型进行耦合求解,明确了湍流效应对流场的作用机制,揭示了湍流效应与离心惯性力效应对稳态密封性能的影响规律。在充分考虑由机械载荷,热载荷,以及其他载荷构成的广义载荷作用下,建立了S-CO2干气密封环二维流-热-固耦合变形模型。以湍流动力润滑模型作为流体域基本控制方程对气膜进行求解。然后,以空间轴对称下的固体力学方程为理论基础,在ANSYS中通过APDL参数化编程对固体域进行计算。通过在不同载荷下对流体域与固体域进行耦合迭代求解,获得了平衡膜厚空间分布规律,明确了影响密封端面变形的关键载荷,并找出了需要重点控制端面变形的静环。同时,给出了无变形、力变形、热变形,以及流-热-固耦合变形下的泄漏率大小次序。在考虑多重复杂效应的前提下,以考虑离心惯性力效应与湍流效应的非定常Reynolds方程与能量方程作为基本控制方程。然后,用频率微扰法对膜厚、压力、温度、物性参数、雷诺数、湍流系数、惯性系数进行全面扰动,建立了绝热流动过程下的全变量微扰模型。通过对三个自由度方向（1个轴向,2个角向）上的气膜动态特性系数在不同频率比与计算条件下进行研究,揭示了S-CO2干气密封气膜动态特性系数的分布规律,识别了各种扰动因素的扰动强度,同时获得了工况参数对气膜动态特性系数的影响规律。通过S-CO2干气密封测试循环系统,对一套S-CO2干气密封样机开展了不同工况条件下的泄漏率测试。然后,进行了理论泄漏率与试验测试值之间的对比分析。研究表明,转速与压力的改变均会引起气膜内流态的变化。低速低压工况下,气膜内的流动服从层流规律。随着转速与压力的提高,气膜内的流动将逐渐转变为湍流流动,且湍流效应对泄漏率具有显著影响。相比于等温流动,气膜内的流动更接近于绝热流动过程。此外,试验结果较好的验证了本文建立的相关模型。本论文系统阐述了S-CO2干气密封在多重复杂效应作用下的流场分布、稳态性能、动态特性系数,解决了S-CO2干气密封设计所面临的理论方法不足的问题。这些研究成果为今后S-CO2干气密封在槽型设计、密封性能分析、工程应用等方面奠定了坚实的基础。