超临界二氧化碳（s CO2）布雷顿循环发电系统具有效率高,结构紧凑,耗水少等优点,适用于太阳能、化石燃料、核电、余热利用和地热等各类能源系统。在近临界区,CO2的物性变化剧烈导致系统的特性复杂。目前,s CO2循环的研究依然缺乏普适性的传热关联式、准确的临界参数测量方法,同时示范系统的运行经验不足、实现效率低等问题也是s CO2循环面对的主要问题。本文从临界传热,临界密度监测,跨临界系统的动态特性模拟与实验研究,系统选型与优化四个方面开展研究工作,为s CO2循环效率提升提供解决方案。开展了s CO2在水平、竖直的直圆管中的传热研究,分析了流量、压力和热流密度对传热特性的影响,掌握了s CO2在近临界区的传热特性。质量流量越大,管内的Re越大,临界传热的强化效应越显著,传热峰值越大。随着压力接近临界点,物性变化更加剧烈,传热的系数变化更加显著。热流密度从100 k W·m-2增至200 k W·m-2时,7.6 MPa状态下的传热峰值减半。热流密度通过影响热边界层的速度分布和剪切力分布影响换热能力。实验结果总结的传热关联式能较好地预测实验的传热系数（水平管的最大偏差±20%,竖直管的最大偏差±10%）,为后续的示范规模和商业化规模的系统构建提供基础。开展了近临界区s CO2红外吸收光谱密度监测的可行性研究,包括稳态和非稳态的监测过程。研究发现3400~3500 nm波段作为监测波段,能够灵敏反馈CO2的密度变化,在状态突变时可以提供快速（<1 s）、强烈的反馈信号。在7 MPa的稳态实验中,随着温度从30℃升至34℃,CO2的密度减少70%和吸收率减少60%。在不同的动态实验中,近临界区的CO2密度剧烈变化导致强烈的散射现象（消光系数可以达到0.95）,为密度监测提供了明显的光谱吸收信号,验证了红外光谱测试法的灵敏性和可行性。采用模块化建模方法,开发了跨临界CO2循环试验系统的动态模型,完成实验验证（偏差0.3~3.55%）。实验和模拟对照结果显示:动态模拟过程能够屏蔽系统内部波动带来的观测误差,同时能够获取实验无法采集的压差变化峰值。将压力从8.0 MPa增加至10.0MPa会导致40%的压力超调,并在短时间内引起部件的压降翻倍。将泵频从20 Hz调节至50 Hz,流量、压力和压降的超调幅度分别为22%,40%和12%。系统的流量和压力的快速调节会导致显著的超调现象,在系统启动、停止过程需要注意。加热功率调节需要优先于流量、压力的调节,避免设备超温。系统的反馈时间与部件的比热容线性相关。开展了s CO2循环的结构和参数优化研究,分析了压缩机、透平入口参数和夹点温度对于系统效率的影响。透平和压缩机入口温度和压力为（500℃,22 MPa）和（34℃,7.5MPa）时,优化的再压缩循环效率比简单布雷顿循环高5%,一次再热能提高1.8%的效率,具有商业价值。采用现有的涡轮设备效率,与再压缩循环相比,简单再热循环系统结构更简单、效率更高（>20%）、输出功更大,对临界区也不敏感,更适合于初期研究。本文的研究工作期望为核心部件的设计和开发提供参考,同时为s CO2循环系统设计、搭建、运行和监测提供指导。