随着大功率的电子设备在航空和军事领域的广泛应用,人们对环境控制系统提出了更高的要求。而温度控制对飞行器、航空设备及航空工作人员是至关重要的技术之一。由于航空器在实际中遭受到超重力和微重力的影响,因此研究者对超重力或微重力换热的研究越来越关注。目前,对超重力或微重力条件下的换热实验和模拟研究多集中于两相流换热过程。超临界流体如航空煤油、CO₂、H₂O,N₂等在超重力和微重力条件下换热特性鲜有报道。在超重力或微重力的环境下,由于重力环境的不同导致浮升力的剧烈变化是影响流体换热特性改变的主要因素。由于地球表面上实验条件的限制无法实现非重力条件的实验研究,因此,本文采用数值模拟的方法探索在非正常重力条件下,浮升力对超临界CO₂在螺旋管中换热影响特性和机理。在超重条件下,相当于抑制了离心力因素的干扰,凸显了浮升力本质特征,而在失重条件下,浮升力作用非常小,凸显了离心力的作用。另外,在航空器的飞行方向不是固定的。因此,本文通过采用不同流动方向和超重力或微重力的方式,对超临界CO₂在螺旋管中的换热开展研究理论研究。在本课题研究中,我们应用两种不同几何模型的螺旋管,针对加热条件下流体在螺旋管中的研究现状,通过湍流模型的对比最终选取重整化群RNG k-ε模型,并应用此模型与现有的实验数据进行对比,发现模拟结果和实验结果的平均偏差为0.27%。首先,采用改变流向的方法对水平和竖直流动方向螺旋管内的换热进行数值模拟,探知浮升力对流体换热的影响与流动方向之间的相互关系。研究了质量流率、进口压力、热通量以及不同流向对超临界CO₂换热和压降的影响,并进一步分析变物性、浮升力和离心力在不同流动方向上对螺旋管中换热的耦合作用。然后,研究了在竖直流动方向和水平流动方向上不同重力对超临界CO₂换热和压降的影响,通过分析截面二次流动的形态剖析浮升力与离心力的耦合作用对换热影响的机理。研究发现:重力分别为0.5g、g和2g的换热系数随着重力的增加,在准临界温度之前的换热系数也相应增加,并且在准临界温度处换热系数有明显的峰值,但在准临界温度之后换热系数基本保持一致。无论是水平流动方向还是竖直流动方向,微重力与超重力分别对换热有削弱作用和强化作用,但是在准临界点之后削弱和强化的作用并不明显。最后,根据大量的模拟数据提出了超重力或微重力环境下的换热关联式。