近年来,伴随着能源的加剧消耗,我国出现了严重的能源资源紧缺和环境污染问题,寻找能够提高能源利用效率、减少污染物排放的办法迫在眉睫。超临界CO2由于具有特殊的热物性,且容易获取、安全性高,引起了人们的广泛关注,针对超临界CO2流动传热现象进行研究具有十分重要的意义。本文运用实验方法与数值模拟手段,开展方形环腔通道内超临界CO2可视化实验研究与相应数值模拟研究,从宏观层面与微观边界层层面具体分析超临界CO2传热机理。在实验研究中观测到多个传热恶化工况下,加热壁面附近均会出现模糊拖影现象。分析认为该区域内为密度更低,流速更高,与主流状态相同的流体,该现象很好地印证了单相对流理论,局部模糊拖影现象可以作为传热恶化发生的直观证据。随后分析了系统压力、质量流速、入口温度与热负荷等参数对超临界CO2流动传热特性的影响。结果表明:本实验中压力对传热的影响可以忽略不计。低质量流量条件下,浮升力对传热影响较弱;高质量流量条件下,局部浮升力效应对传热有较大影响。随着入口温度与热流密度的增大,壁温峰值均会逐渐增大,壁温峰值对应的轴向位置会更加靠近实验段入口位置。最后验证了浮升力参数的适用性,将实验结果与经典传热关联式进行对比验证,并拟合出拥有更高精度的传热关联式。在数值模拟研究中发现:传热恶化工况下,边界层内流体密度减小,速度增大,此时湍动能大幅减小,浮升力效应增强,湍流强度减弱,进一步加剧恶化进程。当恶化程度最严重时,边界层内形成类似圆管中“M”型速度分布的特殊速度分布,径向切应力反向增大,削弱传热恶化过程,湍流强度开始恢复,直至传热恶化过程最终结束。传热强化工况下,超临界CO2达到传热系数峰值对应于该轴向位置缓冲层内流体处于拟临界温度附近,粘性底层内拟临界温度的出现是传热系数开始急剧升高的标志。