自然对流是一种常见的流动现象，广泛地存在于大气、海洋、地幔以及人类生活和生产实践中。这种由浮力驱动的流动是大气海洋质量和热量输运以及建筑通风和污染物扩散等诸多现象的重要机制，其研究成果在工程和环境等科学领域有广泛的适用性，因此备受国内外学术界关注。尤其是通道及开口腔内外的自然对流，由于其应用广泛，有关其动力和传热方面的研究已成为流体力学基础研究的重要课题，也是本文的研究目标。
　　本文研究采用了尺度分析、数值模拟和实验观测等方法，分析了通道自然对流系统的动力和传热机制，提出了不同控制机制下的尺度关系式，揭示了底加热顶开口腔自然对流系统的转捩路径。本文研究在以下若干方面取得了重要研究进展。
　　(1)采用尺度分析方法，讨论了通道自然对流系统的动力和传热机制，提出了速度、热锋面层厚度以及热质输运的尺度关系，获得了二维数值模拟结果的校验；此外，利用二维数值模拟结果，分析了通道自然对流系统的演化对时间、瑞利数和高宽比等控制参数的依赖。
　　(2)利用三维数值模拟结果，研究了底加热圆柱形开口腔自然对流系统，揭示了该对流系统的转捩路径，刻画了转捩路径中的主要分叉现象，包括定常轴对称到定常非轴对称的叉式分叉和定常到非定常的Hopf分叉以及倍周期分叉等；此外，讨论了不同动力和传热控制机制，提出了转捩过程的热质输运规律。
　　(3)分别利用二维和三维数值模拟结果，研究了底加热沟槽形开口腔自然对流系统，展示了该对流系统的对称到非对称、定常到周期、倍周期及准周期等分叉现象，分析了转捩过程中的动力和传热控制机制，提出了不同控制机制下热质输运规律。
　　(4)采用阴影显示方法，观察了底加热沟槽形开口腔自然对流系统的流动结构，发现了该对流系统沿沟槽方向的特殊波动现象；采用温度测量方法，得到了温度信号的时间序列，并基于实验和数值结果的对比分析，揭示了该对流系统非定常流动的机制。
　　本文的研究结果扩展了对自然对流转捩过程以及相应动力传热机制的认知，而获得的热质输运规律等也可在工业生产实践中得到应用。