“2030年碳达峰,2060碳中和”的国家目标对我国在节能提效、能源清洁生产和发展可再生能源方面提出了更高的要求。在燃煤电厂、化工和冶金等领域,大量的热量以低品位余热的形式被直接排放到环境中。余热资源约占其燃料消耗总量的17%～67%,跨临界CO2朗肯循环低品位余热回收利用技术成为了各国研究的前沿热点。跨临界CO2朗肯循环系统的核心难点之一在于紧凑式气体加热器的设计,主要是由于CO2在拟临界区热物性剧烈的变化诱发其在管道中的流动产生复杂的边界层结构,从而使传热特性发生异常行为,如换热恶化现象。因此,研究超临界CO2在管内的换热特性,发展超临界CO2换热恶化模型、提出浮升力准则以及建立边界层内微观机理与超临界CO2传热的宏观特性之间的联系,对于推动CO2及其混合工质在跨临界朗肯系统的实际应用,以及提高系统循环效率具有重要意义。本文通过实验、数值模拟和理论分析研究了超临界CO2以及CO2/丙烷二元混合工质在竖直管上升/下降流动、水平圆管和竖直上升螺旋管内的流动与传热特性。其实验工况:压力7.5～9.5 MPa,质量流量80～1120 kg/（m~2·s）,热流密度10k W/m~2～200 k W/m~2。在本文中,基于实验数据,综合考虑了热物性梯度、热加速效应和浮升力效应以及几何结构因素对传热的影响,分别建立了超临界CO2在加热竖直圆管、水平圆管和竖直螺旋管的半经验关联式。新关联式的预测值与实验数据吻合较好,工况适用性更广、精确度更高。通过实验发现竖直管向下流动的传热恶化除发生于强制对流外也发生于混合对流。实验对比、分析了超临界CO2在竖直管上、下流动中的传热差异,揭示了采用经典剪切应力分布模型分析竖直管换热恶化机理的不足之处。本文以边界层动量微分方程的对流项来引入边界层热加速作用,建立了新的换热恶化模型。该模型能更准确预测换热恶化的发生。结果表明近壁面区流体的热加速作用引起湍流的再层化是导致向下流动发生换热恶化的主要原因。基于竖直管的传热特性和机理,研究了螺旋管中浮升力和曲率效应对流动和传热的影响。考虑螺旋管几何结构对流体流场分布的影响,结合能量守恒,建立了适用于螺旋管的浮升力准则。基于新建立的浮升力参数和截面二次流特征,绘制了螺旋管内流体流动区域分布图。基于上述研究,通过实验和数值模拟比较研究了竖直管、水平管和竖直螺旋管中超临界CO2的传热和流场分布,提出了浮升力准则的制定和使用需要考虑浮升力与流场分布之间的耦合关系。实验结果表明竖直管向上流动发生的换热恶化比水平管中的换热恶化更为严重。螺旋管在局部和平均传热性能方面具有明显的优势,并确定了螺旋管强化传热的范围Ψ>2和Ψ<0.5。最后,实验研究了超临界CO2/丙烷二元非共沸混合工质在竖直上升螺旋管内,不同质量分数下的传热特征,并对纯工质和混合工质在相同工况下的传热性能进行了比较。实验结果表明,在相同的压力比(p/pcr)下,当丙烷的质量分数在22.24%～100%范围时,传热系数的峰值随着丙烷组分的增大而增大。利用基于超临界CO2提出的关联式对丙烷/CO2实验数据进行了预测。结果表明,对于不同的组分的混合工质,80%的预测值在±20%范围内,95%的预测值在±30%范围内。