二氧化碳物理化学性质稳定,超临界二氧化碳（Supercritical carbon dioxide,S-CO2）布雷顿动力循环效率高,是颠覆性燃煤发电技术,在燃煤、核能及太阳能等发电领域应用前景广阔,研究超临界CO2能质传递与转换理论是超临界CO2布雷顿循环关键技术突破基础,具有重要的科学理论与工程应用价值。论文为揭示超临界二氧化碳在管内流动传热规律,开展了垂直上升管内超临界CO2流动传热特性研究。试验研究了垂直上升管超临界CO2流动传热特性及其影响规律,获得了管内超临界CO2传热试验关联式;基于试验数据与数值仿真验证,数值研究了热工参数、通道管径及重力条件对超临界CO2流动传热特性影响规律,揭示了垂直上升管内超临界CO2流动传热影响机制。垂直上升管内超临界CO2流动传热影响规律试验研究。对管径为14.5 mm,长为2600 mm的垂直上升管,在系统压力7.68～8.53 MPa、入口温度5～30℃、质量流速390～940 kg/（m~2·s）与热负荷17～125.1 k W/m~2的范围内,采用定热负荷和变热负荷相结合的方法试验研究了垂直上升管内超临界CO2流动传热特性及其影响规律,并建立超临界二氧化碳管内传热系数试验关联式。研究发现:不同系统压力条件对超临界CO2管内传热特性影响较小,壁温和换热系数差异不大;升高入口温度,传热恶化现象会随之加剧,壁温峰值对应的轴向位置前移靠近入口位置;随着质量流速的增大,局部浮升力的变化对传热有较大的影响,提高质量流速可使壁面温度降低,平均换热系数增大,换热能力提高,传热恶化程度逐渐减小;增大热流密度可使传热恶化时的壁温飞升峰值增高,加剧传热恶化现象的发生。通过浮升力准则判别式和几种不同浮升力参数的对比验证,基于2289个超临界CO2数据点的分析拟合,得到如下传热关联式（?）,并将其与经典传热关联式进行对比分析,结果表明论文所获得的传热关联式能够实现对超临界CO2的传热特性更为精准的预测。垂直上升管内超临界CO2流动传热影响规律数值模拟研究。论文首先采用试验数据对数值模拟方法进行了对比验证,其次利用经校验的数值模拟方法对小通道内超临界CO2流动与传热特性进行了数值模拟研究。系统开展了垂直上升管内超临界CO2流动传热特性数值模拟,研究了热工参数及结构参数对超临界CO2流动传热特性的影响规律。研究发现:小通道内超临界CO2流动与传热特性和常规尺度通道相比存在一定差异;提高系统压力可以改善换热能力;当质量流速逐渐增大时,传热恶化现象会逐渐减弱直到消失;随着入口温度的升高和热流密度的增大,发生传热恶化时的壁温峰值点前移靠近入口段,且壁温峰值后回落的位置越高;增大小通道管径,壁温飞升越快,更易发生传热恶化现象。论文进一步详细讨论了不同重力条件对超临界CO2流动传热特性的影响,研究发现:当重力条件在失重0 g到超重10 g范围内,壁温随着重力的增大而升高;在当重力条件较小时,伴随着两个不同“凸起”幅度的壁温峰值;高重力条件范围内,壁温的升高速率逐渐变缓,壁温峰值较低重力条件时距入口段后移,出现传热恶化现象;不同重力条件对流体热物性的变化影响较为显著,增大重力条件会增强管内的浮升力效果,近壁面处流体加速,而主流区的流体流速减弱,这就在径向截面形成了典型的“M”型速度分布;重力条件的增加会增大浮升力效应,导致近壁面流体密度骤降,密度差增大会导致边界层内浮升力增强,湍流强度削弱,更易发生传热恶化现象;然而在湍流区,浮升力几乎不会影响流体,密度变化很小,对于高重力条件,并不会出现较为平坦的速度分布。本文研究可为超临界二氧化碳布雷顿循环发电新技术研发提供了有利理论支持,本研究得到了国家自然基金No.51876024和No.51976204的资助。