随着能源需求日益增长和环境可持续发展受到越来越多的重视,以二氧化碳为循环工质的超临界二氧化碳布雷顿循环发电和跨临界二氧化碳热泵以清洁高效、节能环保的特点展现出了广阔的应用前景,引起了广泛的关注。高压紧凑式换热器是超临界压力二氧化碳循环系统中的重要部件。一方面,超临界流体在临界点附近的物性剧变特点导致二氧化碳独特的管内流动换热特性,另一方面,非均匀热容、沿程换热及压降的多变特性使换热器的优化方法不同于常规换热器。此外,超临界压力二氧化碳的高压特性对换热器的强度提出了较高要求。毛细管换热器是一种新型高性能紧凑式换热器,在超/跨临界二氧化碳换热方面具有良好的承压能力和性价比。本文以毛细管换热器为主要研究对象,通过数值模拟与实验研究结合的方式,研究了超临界压力二氧化碳在微通道内的冷却换热机理,分析总结了毛细管束壳程流体流动换热规律,对不同二氧化碳换热关联式的工程实际应用的准确性进行了对比,并结合物性剧变的特点,针对换热器的夹点问题和流动传热性能的提升进行了综合优化,可为二氧化碳毛细管换热器的设计和应用提供理论支撑。主要结果如下。（1）采用数值模拟方法开展了超临界压力二氧化碳在恒热流壁面条件和耦合换热壁面条件下的冷却机理研究。沿程温度变化导致的导热、比热等物性剧烈变化引发了拟临界点附近边界层厚度的急剧减薄及底层传热特性的增强;密度变化在浮升力作用下导致二次流动,强化了上半部的换热,弱化了下半部的换热。超临界压力二氧化碳与冷却水在毛细管换热器耦合流动换热时,管外冷却介质的流动方式变化造成不同的内外耦合温度场,进一步对管内超临界压力二氧化碳换热和压降特性产生影响,其中,冷却水向下横掠方式中二氧化碳二次流速度大小比向上横掠高出5%。基于数值模拟结果,对已有的超临界压力二氧化碳冷却换热关联式和压降关联式准确性进行了对比分析,为换热器设计提供理论基础。（2）搭建了超临界压力二氧化碳换热器实验台,开展了超临界压力二氧化碳毛细管换热器的实验研究。结果表明,毛细管束下有折流板的壳程换热系数达到20000～30000 W·m-2·℃-1,相比无折流板提高3～4倍,并且毛细管束壳程换热系数可达到常规壳程换热关联式预测大小的2倍以上,拟合了适用于毛细管束壳程换热的关联式;利用新的壳程换热关联式,对超临界压力二氧化碳与壳程冷却介质的换热进行了分析。结果表明,已有的多个超临界压力二氧化碳关联式同实验结果均存在一定的误差,相比之下,Dang的关联式预测结果同当前毛细管换热器实验结果整体偏差小于10%,表明其应用于二氧化碳换热器实际设计时更为准确。超临界压力二氧化碳在管程进出口流量分配处更容易产生较大的压力损失,而管内的摩擦压降和加速压降相对较小。（3）建立了毛细管换热器整体内外耦合的流动换热模拟计算方法。该方法基于超临界压力二氧化碳的换热关联式和壳程流动的数值模拟计算,能够在保证整体计算准确性的基础上,有效降低计算量,节省计算消耗,适用于毛细管数量较多的换热器计算。模拟结果和本文实验结果对比表明,Dang的关联式相比其他关联式,能够获得更为可靠的毛细管换热器整体耦合换热分析。在有折流板的毛细管换热器中,折流板附近由于壳程流动特征的不同,会出现强化换热区和弱化换热区。在强化换热区中,由于壳程换热较强,导致壁温相对较低,管内二氧化碳更靠近临界点,因此管内换热同步增强,使得传热整体增强;在弱化换热区,由于壳程换热较弱,导致壁温相对较高,管内二氧化碳更远离临界点,因此管内换热同步降低,使得传热整体降低。不同换热区域热流密度相差达到4倍以上。（4）提出了针对剧变物性换热器的优化准则,并对超临界二氧化碳毛细管换热器进行了优化。变物性导致换热器内的温度曲线同常规换热器不同,流量分配不当易导致夹点传热恶化的出现,增加冷热介质流量比和降低冷却介质入口温度能有效避免夹点传热恶化问题。（?）耗散理论和效能研究表明,冷流体中间分流设计能够在避免夹点传热恶化的基础上,进一步降低冷却器的传热不可逆损失,提高冷却器效能。通过局部的内外换热和压降调整,提高各单元压降随换热面积的变化梯度的均匀性,能够有效减小总压降,进而降低泵功消耗。基于优化理论的指导,对超临界二氧化碳毛细管冷却器的折流板间距进行了重新布置,整体模拟结果表明,优化后的毛细管冷却器在传热量和传热面积不变的基础上,使壳程总压降降低了 10%。（5）对超临界压力二氧化碳在螺旋管内的流动换热和不同折流板形式的壳程流动换热进行了数值研究。离心力作用和密度变化导致超临界压力二氧化碳在管内横截面上呈现非均匀分布,造成内侧弱化、外侧强化的局部换热特性。螺旋管内二氧化碳整体换热相比直管提高10%以上;不同折流板形式在不同质量流速下的综合性能表现不同,需根据实际工况进行判断。协同角在一定程度上衡量了不同结构下的换热效果,对强化换热结构设计具有指导作用。本文针对超临界压力二氧化碳毛细管换热器,沿耦合换热单元-换热器整体-优化设计的路线,通过数值模拟和实验方法,系统研究了超临界压力二氧化碳冷却换热机理及毛细管换热器的传热与压降综合性能,对比了不同二氧化碳关联式的准确性,提出了毛细管束壳程换热关联式,开发了可靠高效的毛细管换热器数值模拟方法,阐明了毛细管换热器中超临界压力二氧化碳和冷却水的耦合换热机理,建立了变物性换热器的设计优化准则,为超临界压力二氧化碳毛细管换热器的设计应用提供了研究基础与理论支撑。