跨临界朗肯循环(TRC)是一种先进的中低品位热功转换技术。CO2工质由于其良好的热物理性质、热稳定性、环境友好等优势使得其系统具有良好的应用前景和研究价值。TRC系统效率的有效提高依赖于更加深入研究超临界CO2在管内的换热特性。但是超临界CO2在拟临界点区域物性变化剧烈，容易引起换热异常，倍受关注的是拟临界点附近的换热恶化，通常伴随着壁面温度的突然升高和换热能力的急剧下降，给设备和系统的安全稳定运行带来巨大危害。关于超临界CO2在直管内的换热特性，国内外学者开展了大量的实验测量、数值模拟及理论研究，并对其中的换热机理取得了一定的认识。螺旋管作为一种高效的传热管，与直管相比具有结构紧凑，换热效率高，单位空间利用率大等特点，有助于强化换热和抑制换热恶化发生，但目前关于超临界CO2在螺旋管的换热特性研究较少。因此，本文结合实验测量和数值模拟研究了超临界CO2在加热直管和螺旋管的换热特性和换热恶化机理，为推进TRC系统的实用化进程提供有价值的基础数据与物理模型。
　　实验对比了超临界CO2在直管(d=8mm，L=2000mm)和螺旋管(L=2000mm,d=8mm,R=180mm,2πb=32mm)的换热特性，分析了质量流率、压力、热流密度等边界条件对换热的影响。在p=8MPa，q=20.2kW/m2，G=150kg/(m2s)条件下，直管中出现了换热恶化，而螺旋管内未发生，表明螺旋管在整体上对换热恶化有抑制作用，并且与常物性流体换热经验关联式对比显示超临界CO2在螺旋管内由于受到离心力和浮升力的耦合作用换热被强化。
　　通过与实验结果对比可知SSTk-ω模型能更准确地预测超临界CO2在螺旋管内的换热特性。因此，采用SSTk-ω模型模拟了超临界CO2在q=20.5kW/m2，G=262kg/(m2s)和p=8MPa条件下不同倾角放置螺旋管内的换热，分析了倾角(浮升力和流动方向耦合关系随倾角发生变化)对沿程换热系数和截面上周向换热系数的影响。结果表明在竖直螺旋管内，浮升力和流动方向始终处于垂直关系，此时的沿程换热系数决定于浮升力的大小；当螺旋管处于倾斜放置时，沿程浮升力和流动方向的夹角呈周期性变化，且其振幅随倾角的减小明显增加。此时螺旋管沿程换热系数不仅受到浮升力的影响，而且受到浮升力和流动方向的耦合角度的影响，沿程换热系数出现振荡现象，同时表明水平螺旋管内的换热稳定性较差。
　　为了进一步分析螺旋管内换热恶化的机理，以直管为基础探究超临界CO2在管内的恶化机理。采用数值模拟研究了超临界CO2在加热直管(d=4mm，L=2000mm)的换热恶化，通过解耦合思想(对比ρ=常数，g=0和正常条件下的换热特性)分析了浮升力、自加速对换热恶化的影响，结果表明相比于自加速，浮升力对换热恶化起主导作用。根据壁面温度的变化情况将换热恶化划分为3个阶段：初始阶段、稳定阶段和恢复阶段，通过对相应截面上的速度和湍流动能的分布情况分析表明，当截面上呈现M型流速且速度峰值点落在过渡层(5　　采用数值模拟对比了直管和螺旋管内的换热特性，与试验结果一致，螺旋管对换热恶化有一定的抑制作用，但在p=8MPa和G=400kg/(m2s)条件下，当热流密度增加到70kW/m2时螺旋管内的换热同样在临界点附近出现恶化。结合直管中浮升力的理论分析，分别提出了适用于竖直和水平螺旋管的浮升力判定标准。为分析螺旋管内换热恶化机理，通过在截面上建立特征线捕捉螺旋管不同截面上特征线的速度和湍动能分布趋势，结果表明截面外侧的湍流动能明显高于内侧的且不同角度对外侧湍流动能的影响较小，离心力和浮升力的耦合作用主要影响截面内侧的速度和湍流动能分布，使得在较低热流密度下内侧也会出现局部的换热恶化。与直管换热恶化现象不同，螺旋管内换热也会出现M型流速，但其峰值点始终落在过渡层以外，湍动能正常分布均未引起换热恶化，局部换热恶化主要发生在内侧速度被抑制的特征线上。