自然对流换热具有简单的驱动原理和低成本等优点，所以被广泛应用在许多工业领域和设备中，如球形电子设备，循环流化床和核工程设备等，后者包括加速器驱动次临界堆系统(Accelerator Driven subcritical System，ADS)的流态固体靶和球床式高温气冷反应堆的堆芯。简单的单球结构已经被大量研究，但是复杂的多球自然对流换热依旧缺少研究，所以本文抽取多种典型的多球结构进行稳态层流自然对流换热数值模拟，揭示其不同的流动和换热特征并获得(Nu)数关联式。
　　尽管Bejan等提出的二维模型的经济性和正确性已经被验证，但是此二维模型不适用一些常见的多球结构。所以本文率先将此模型拓展到三维情况下，研究紧密接触的水平两球(10≤Gr≤106)和水平三球(10≤Gr≤105)自然对流换热，获取整体的温度和流线分布、局部的C和Nu数分布和最为重要的(Nu)=f(Gr)关联式。其次，研究拉开间距L/D对于水平两球的影响，获得包含间距影响的(Nu)=f(Gr，L/D)关联式并探究10≤Gr≤103范围内换热最强时的最优间距(L/D)opt与Gr数的关系。最后，将“极限”的数学思想引入三维数值模拟中，进一步探索顺排布置下的水平单层球自然对流换热，获得中心球的(Nu)=f(N)关联式，同时得到不受周围球数或N增加影响的中心球(Nu)数。
　　研究发现，与单球相比，对应Gr数下的水平两球和水平三球的(Nu)处在更低的水平，且水平三球的(Nu)更小。这种整体换热弱化是因为多球的换热互相影响导致的，所以水平三球的换热速率弱化更加明显。且随着Gr数的增加，更大的温度梯度和速度梯度减小该换热弱化效应，水平两球的(Nu)数从单球的78.94％(Gr=10)增长为99.01％(Gr=106)，水平三球的(Nu)数从单球的64.69％(Gr=10)增长为92.45％（Gr=105）。对于存在间距的水平两球，随着间距的增大，Nu数的整体水平逐渐增大。(Nu)数随着的L/D增加出现先增加后减小最后趋向单球的(Nu)数的情况，该变化规律表明存在最优间距使得自然对流换热强度最强，此时两个温度边界层处在的恰好分离的状态。不同Gr数下的最优间距如下所示:(L/D)opt≈3.5,Gr=10;(L/D)opt≈2.25,Gr=102;(L/D)opt≈1.5,Gr=103，最优间距随着Gr数的减小符合温度边界层厚度随着Gr数的增加而减小的情况。对于顺排布置的水平单层球，Nu的整体水平随着排列数的增大而逐渐增大，并且单层球间隙处的负压梯度使得上游区域内的变化更加明显。对比13×13和15×15排列两种情况，发现Nu整体分布和数值都较为接近，表明本文引入“极限”的数学思想的方式是合理的。并且N的增加导致多球之间的换热影响逐渐加强，相邻排列数下(Nu)的差异随着N的增加而降低，即曲线斜率逐渐降低，通过拟合得到的(Nu)关联式预测极限情况下单层球的中心球的(Nu)数为4.1628。
　　上述研究既能为我国ADS流态固体靶结构的设计、优化工作提供理论基础，也能为其他包含球形结构的工业应用提供参考，具有一定的学术价值和应用前景。