对超临界CO2在套管内的换热特性进行了实验研究，探讨了超临界CO2换热过程中，质量流率、压力和入口温度的变化对换热性能特性和压降的影响。实验得出，换热系数随着质量流率的增加而增加；而换热系数随压力的增加而减少；入口温度的变化对换热系数基本没有影响；压降随着入口温度的升高而逐渐增大；并给出了Re和Nu数的变化规律。研究为超临界二氧化碳换热器的设计提供了依据。

二氧化碳作为动力循环工质可获得更高的循环效率和部件紧凑性，应用前景广阔。基于给定参数设计了1台4级轴流式超临界二氧化碳（SCO2）压气机，通过划分六面体网格，采用有限体积法及SSTk-ω湍流模型对其气动性能进行了详细分析，并对叶顶间隙的影响规律进行了研究。研究表明，由于流动加速和引射作用，叶顶间隙泄漏流造成了叶尖吸力侧流体温度和压力的下降，因此该区域可能会发生冷凝现象，并且叶顶间隙的增大进一步降低了该区域的参数，将会导致级效率和压比的降低。研究成果可为SCO2压气机设计提供参考。

超临界二氧化碳离心压缩机气动性能一直受到广泛关注。本文通过改变叶轮结构参数,对超临界二氧化碳离心压缩机叶轮气动性能进行了数值模拟,分析了叶片出口安装角和分流叶片长度对叶轮气动性能的影响规律。结果表明,随着叶片出口安装角的增大,叶轮的总压比和多变效率先增大后减小,且在叶片出口安装角为75°时叶轮气动性能最佳;随着分流叶片长度的增大,叶轮的总压比和多变效率先增大后减小,且在分流叶片长度系数为0.6时叶轮气动性能最佳。研究结果可为超临界二氧化碳离心压缩机叶轮优化设计提供理论依据。

超临界二氧化碳透平被广泛用于太阳能发电系统中,但局部损失导致该透平流动中部分区域工质处于亚临界区。为了探究二氧化碳在跨临界区物性对透平的影响,进行了喷管实验和单级轴流透平的热力气动设计、三维造型及数值模拟。结果表明:二氧化碳物性在跨临界区急剧变化,易产生流动分离和回流等现象;设计透平在各工况下喷嘴尾缘、动叶吸力面前缘等局部压降区域易出现跨临界现象,并伴随有透平效率不同程度降低;增大出口压力、升高温度、调整转速或优化翼型,均可避免跨临界情况发生,从而提高透平效率。

透平是超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿循环系统的核心部件,目前主要面临效率低的问题。本文针对1台4级轴流S-CO2透平进行气动设计,并对透平内部流动进行了三维数值模拟分析。结果表明,动叶叶顶间隙泄漏流是影响透平流动和性能的主要因素,泄漏流不仅会与叶片通道主流相互作用,还会影响下一级静叶流动,在入口产生较大攻角,引起静叶叶顶吸力面前缘和压力面喉口部的流动分离,并影响下游动叶叶顶端流动,导致泄漏流强度随级数累积增强,降低透平效率。根据流动仿真分析结果对透平进行了改进设计,使透平效率显著提高,达到84.44%。

与燃煤电站锅炉相比,超临界二氧化碳锅炉炉膛管内工质参数更高,对壁面冷却能力更差,因而其结构设计面临着巨大挑战。本文以某5 MW超临界二氧化碳试验锅炉布置方案为例,对锅炉气冷壁建立回路流量和压差方程组,采用拟牛顿法求解并联管路流量和气温,并根据热负荷求解壁面金属温度。计算结果表明,炉膛气冷壁各回路流量相对偏差小于7%,金属壁温均在材料强度允许范围内,锅炉设计方案安全可靠。该研究成果对后续的产品改进优化及大型化具有一定意义。

在高参数工况下,超临界二氧化碳(以下简称SCO2)动压密封的端面容易发生热弹变形,从而影响动压密封性能,针对该问题,建立了SCO2动压密封热流固耦合数值分析模型。在考虑了粘性耗散的基础上,求解了密封环温度场,采用CO2真实物性数据求解了流体膜压力场,将温度场和流体膜压耦合到密封环上,求解了密封端面的热弹变形;对比研究了热变形和弹变形对热弹总变形的影响,分析了转速、压力和温度对密封端面热弹变形的影响规律,提出了减少热弹变形的方法。研究结果表明SCO2在动压密封高温下宜减小密封环的温差,以减小端面变形,高压下宜采用高弹性模量材料以减小端面变形,高转速下依靠动环热变形与弹性变形互相抑制关系以减小端面热弹总变形;密封环的端面最大轴向间隙与介质温度呈线性关系增大,与压力呈线性关系减小;转速则使其先减小,后增大。

超临界二氧化碳涡轮密封具有较强的气动特性和转子非线性运动特征,为探究密封气动作用对转子运动的影响,该文通过Fluent用户自定义函数和四阶Runge-Kutta构建转子-密封的非线性涡动模型,实现转子非线性动力学与密封流场的联合求解,得到转子受密封气流激振力作用下自由涡动的动力特性,揭示密封气流激振对转子失稳的作用过程。结果表明不平衡质量力和转子弹性恢复力会使得转子运动呈现弧状的螺旋运动。密封的气体动压作用导致发生转子横向偏移。密封气流激振力呈现带状分布,在工作转速形成明显的振幅,动力系数波动幅度较大。不平衡质量力和气流激振力使得密封有效阻尼较低,更容易发生运动失稳。

为研究超临界二氧化碳(Supercritical Carbon Dioxide,SCO2)扇贝阻尼密封在不同工况下动力稳定性,建立SCO2扇贝阻尼密封数值计算模型,分析进口压力、温度及转速对SCO2扇贝阻尼密封动力特性及泄漏特性的影响。结果表明直接复合刚度随涡动频率增加由正变负;交叉复合刚度随进口温度、压力增加而减小,随转速增加而增大;SCO2扇贝阻尼密封的有效阻尼随进口温度、转速增加而减小,随进口压力增加而增大,进口压力为8.1 MPa时有效阻尼约为7.7 MPa时的1.7~2.9倍;扇贝阻尼密封直接复合刚度、有效阻尼整体上大于迷宫密封,稳定性高于迷宫密封,但泄漏量略高于迷宫密封。

超临界CO2(SC-CO2)喷射压裂技术有望成为非常规油气资源的高效开发手段。为了探明其射流密封机理,开展了SC-CO2喷射压裂作业时环空、孔眼及裂缝中的流场数值模拟研究。结果表明SC-CO2喷射压裂作业时SC-CO2射流在环空附近形成低压区,促使环空流体进入地层孔眼而不进入已压开裂缝中,从而实现射流密封;SC-CO2喷射压裂的射流密封效果与喷嘴压降和喷嘴直径正相关,与套管孔径和环空压力反相关,而受到SC-CO2流体温度的影响极小;在相同的模拟条件下,SC-CO2喷射压裂的射流密封效果强于水力喷射压裂。