自然对流换热广泛存在于各种自然现象和工程技术领域之中，封闭腔体内的自然对流由于其在工程上的重要应用而日益受到重视。目前，已有的研究主要是针对Boussinesq流体，即密度随温度的增加呈线性减小。对具有密度倒置的非Boussinesq流体的自然对流的研究主要集中在矩形腔内，而对工程上常见的水平环缝内的自然对流涉及很少，可以说这方面的研究几乎还是一片空白。本文以工程上常见的蓄冷系统中水平环缝内冷水的自然对流为研究对象，采取实验和数值模拟相结合的方法确定了稳态自然对流存在的流动型式以及失稳后各种流型的演变规律，讨论了几何参数、密度倒置参数和Rayleigh (Ra)数等对自然对流传热的影响，并揭示了流动失稳的物理机制，获得了传热关联式，研究结果可为工程上蓄冷系统的节能和优化设计提供理论指导。首先，建立了水平同心和偏心环缝内冷水自然对流的物理模型和数学模型，并进行了系统的二维和三维数值模拟，得到了水平环缝内冷水在密度最大值附近自然对流的温度场和流场；然后，分析了环缝半径比、偏心率、环缝长宽比、密度倒置参数和Ra数等参数对自然对流的影响，弄清了具有密度极值流体稳态和振荡自然对流的基本特性。结果表明：（1）流型主要由密度倒置参数Θm和Ra数决定。当密度倒置参数较小时，其流型与常规流体的结果相似，Rayleigh-Bénard对流出现在环缝的顶部区域，相反，当密度倒置参数较大时，Bénard流胞出现在环缝的底部区域附近，而当密度倒置参数居中时，形成了两逆向旋转的双胞结构。环缝半径比对流型的结果影响较小，Bénard流胞的数量随着半径比的增加而减小。（2）不同密度倒置参数下，振荡自然对流的机理不同。当密度倒置参数较小和较大时，环缝顶部和底部的垂直温度梯度分别驱动其振荡自然对流；当密度倒置参数居中时，水平温度梯度在此振荡流中起着主导作用。（3）偏心率对流型的影响较小，偏心导致环缝在变窄的区域呈现窄环缝内的流动特征，变宽的区域呈现宽环缝内的流动特征，因此，出现Bénard流胞的临界Ra数随着偏心率的改变而不同。（4）相同条件下，内壁面平均Nusselt (Nu)数随着Ra数和半径比的增加都增大；两逆向旋转的双胞结构相互抑制，从而导致Θm=0.5附近的平均Nu数值最小。同时，拟合得到了内壁面平均Nu数的传热关联式。（5）三维数值模拟观察到了不同密度倒置参数下的典型流型，得到的R-θ截面上的速度场和温度场与二维数值模拟相似，由于两绝热端面的影响，出现Rayleigh-Bénard对流的临界Ra数不同。R-Z截面上，不同密度倒置参数下在环缝顶部和底部横截面上出现流胞的规律与二维结果相同。当密度倒置参数较小且Ra数也较小时，不同环缝宽度下的迹线图与空气的结果相同；当密度倒置参数较大且Ra数也较小时，环缝中间区域只有宽环缝内为二维流动，窄环缝和中等宽度环缝内为三维流动。此外，长宽比主要决定横截面上流胞的数量。最后，设计和搭建了水平环缝内冷水自然对流传热及其强化实验台，与相同半径下光管的实验结果进行了比较。自然对流传热采用三维肋化表面进行强化，在内、外壁维持恒定温度下，实验研究了不同参数下的肋片对水平环缝内冷水在密度最大值附近自然对流换热规律的影响，结果发现，考虑翅化比影响时，三维肋化表面对水平环缝内冷水的自然对流起着强化作用；平均Nu数在温差为8℃附近（密度倒置参数0.5附近）出现一个极小值，且随着肋片高度和肋片纵向间距的增加而增大，随着肋片宽度的增加而减小，而每周分布肋片数对其影响很小，其中，肋片宽度对传热的影响最大。