随着全球化石能源储量的减少及其带来的环境问题的制约,寻求高效、低碳、环境友好的能源方案成为各国能源转型的主流方向。近年来,以超临界二氧化碳（Supercritical CO2,sCO2）为工质的布雷顿动力循环因其高效能潜力、高能量密度、应用范围广等优点得到了越来越广泛的关注,并被认为是下一代核能和太阳能领域最具潜力的动力循环之一。虽然该循环的诸多优点令其有着广阔的应用前景,但距离工程应用还有较多的技术障碍需要突破,其中作为该循环中的核心设备之一,工作在CO2临界点附近的离心压缩机就是其制约因素之一。近临界点CO2强烈的非理想性气体特点及潜在的局部冷凝相变为sCO2压缩机的设计与分析带来了挑战。为此,本文围绕近临界点sCO2离心压缩机在一维、准三维和全三维的多维度气动设计与分析中所面临的若干关键问题展开了研究。主要的研究工作包括:一、CO2在近临界点真实气体物性计算:针对CO2流动分析过程中直接求解Span-Wagner物性方程计算速度慢以及临界点附近计算稳定性差的问题,本文建立了基于表格查询的适用于多维度数值求解器的快速、准确、稳定的近临界点CO2物性计算方法,并详细研究了物性表格插值精度的分布特点及其随不同表格分辨率的变化规律。结果表明,该方法可大幅度提高物性计算效率,并可有效改善以焓和熵为自变量时临界点附近的计算不稳定问题。二、sCO2离心压缩机一维气动分析与设计:针对传统损失模型和经验公式应用于sCO2离心压缩机气动分析的适用性问题以及一维气动设计阶段的入口冷凝相变控制问题,本文首先发展了同时基于焓与总压混合损失模型的sCO2离心压缩机一维变工况性能分析方法,考察检验了多种传统离心压缩机一维损失模型及经验公式,通过与SANDIA实验室的单级sCO2压缩机实验数据及其他一维分析方法对比验证了本文所建立的一维分析方法的优越性。在多级sCO2离心压缩机方面,详细分析了一维结果与三维CFD结果的异同,并分析了差异特点和产生的原因;然后,在气动设计方面,针对sCO2压缩机入口冷凝约束,提出了“冷凝余量”的概念和“入口速度比”设计参数,建立了入口速度比约束函数（设计准则）,通过某两级sCO2离心压缩机的设计,验证了设计方法的有效性。三、基于真实气体的跨相区准三维分析:针对目前缺少sCO2离心压缩机准三维设计与分析手段的问题,本文基于流线曲率法建立了适用于真实气体的、可跨相区的准三维多级离心压缩机气动分析方法。通过均质平衡模型假设（HEM）,拓展了流线曲率法对跨临界、跨相区工质流动的分析能力。以某两级氮气离心压缩机和SANDIA实验室的sCO2离心压缩机叶轮为对象,验证了所发展方法的有效性。四、快速、鲁棒的近临界点sCO2离心压缩机全三维气动数值计算策略:针对目前近临界点sCO2离心压缩机全三维数值计算稳定性差,计算效率低的问题,本文首先确定了采用基于物性表格和HEM模型假设的密度基求解器来模拟近临界点sCO2离心压缩机内部潜在的凝结相变及两相流动的计算方法,通过与sCO2De Laval喷管实验对比详细验证了所采用的数值计算方法有效性。然后,以SANDIA sCO2离心压缩机为对象,研究了物性表格插值精度对数值计算稳定性和数值计算结果的影响,阐明了近临界点区域物性表格对数值计算稳定性的影响机理。最后在此基础上,提出了一种新的关于脊线拟对称的近临界点物性表格生成方法。该方法可有效改善数值计算稳定性,提高三维数值模拟计算效率。本文的研究成果为sCO2离心压缩机设计与分析体系的建立和发展提供了理论基础和关键技术支撑。