超临界二氧化碳（Supercritical Carbon Dioxide,SCO₂）离心压缩机具有可靠性高、体积小、质量轻、效率高等优点,被认为是新能源领域最具应用前景的动力设备之一。本文基于一元流动理论和准三元设计方法,由设计热力参数得到SCO₂离心压缩机三维模型,对离心压缩机的流场及气动性能进行了研究,另外对SCO₂离心压缩机通流部件的几何和气动参数进行数值分析和优化设计,最终得到的SCO₂离心压缩机总压比可达到1.78,多变效率达87.2%,达到设计要求,最后对优化后的叶轮强度进行了校核计算。论文的主要工作如下:首先,介绍了计算流体动力学的基本原理、控制方程及二氧化碳真实气体模型,给出了SCO₂离心压缩机的三维建模、网格划分和数值模拟的参数设置。接着,对SCO₂离心压缩机叶轮的气动性能进行数值计算,并从叶轮出口安装角、分流叶片长度、分流叶片周向位置以及叶片数这四个角度对叶轮进行了优化,分析了不同的结构参数对SCO₂离心压缩机气动性能的影响规律。进而,对无叶扩压器和蜗壳进行了优化分析,研究了无叶扩压器型式、蜗壳截面面积和蜗舌倒圆半径这三个结构参数对SCO₂离心压缩机气动性能的影响规律,同时,还对SCO₂离心压缩机整机的变工况性能进行了研究。最后,对SCO₂离心压缩机的叶轮强度进行了研究,分析了额定工况下气动力、离心力分别单独作用和共同作用时对叶轮强度的影响,并进行了模态分析,对比研究选取了合适的叶轮制造材料,并得到了不同工作流量和工作转速对叶轮所受最大等效应力及最大总变形的影响规律。研究结果可以为SCO₂离心压缩机的设计研发提供一定的理论依据。