超临界二氧化碳布雷顿循环发电作为新一代发电技术,相比现有超临界水机组具有结构紧凑、效率高等特点,其研发日益受到关注。在超临界压力条件下,实现对二氧化碳对流换热特性的深入理解和准确预测,对超临界二氧化碳受热面的安全设计至关重要。本文将数值模拟和实验方法相结合,对超临界二氧化碳在圆管内的对流和换热现象进行研究,并对计算模型进行修正,以实现对于传热效果的准确预测。在此基础上分析了热流密度、质量流速和压力等参数对于换热效果的影响,并且通过计算获取管道内部流场与温度场,对传热恶化的机理进行分析、解释和论证,为接下来的实验工况的设计与结果预测提供数据和参考。首先,为了降低计算资源消耗和提高仿真效果,本文进行了大量湍流模型验证和网格敏感性分析工作,最终选用SST k-ω湍流模型捕捉工质的传热和传质过程。然后将实验数据与模拟结果对照和分析,分别对传热恶化和正常传热现象进行定义。接着设计了一系列工况研究分析浮升力、热速度和加热负荷等因素与传热效果的关联。并引入Bo、Ac等无量纲参数,研究传热恶化的判定准则。其次,在模拟结果的基础上,本文先分析了正常传热工况,发现此类工况的管内SCO2近似于常物性流动。当壁面温度超过拟临界温度,而主流温度仍低于拟临界温度时,在圆管截面方向上,SCO2流型接近充分发展的湍流,大比热区主要出现在过渡区(5<y+<60)内,流体的热物性梯度较小,湍流动能和换热效率都比较稳定。而当主流温度接近拟临界温度,大比热区才开始向湍流核心区域转移,截面热物性曲线仍然平缓,此时传热危机不会发生。最后,对传热恶化的机理进行研究和分析,并阐明物性变化对传热的影响。在传热恶化现象出现时,圆管壁面温度均已超过拟临界温度,而主流温度尚未接近拟临界温度。与正常传热工况中不同,此时流体的大比热区迅速从过渡区移至湍流核心区,近壁面的低密度层形成,核心区的流动速度曲线趋于平坦,其速度梯度和湍流强度均趋于0,雷诺剪切应力持续降低。随着低密度层扩大,M型速度曲线形成,核心区的雷诺应力方向改变,过渡区中的雷诺应力水平恢复,传热恶化得到抑制,壁面温度虽保持单调递增,但增长速率开始减小。直到传热效率恢复到一定水平,壁面温度到达峰值点,传热恶化结束。