研究室内复杂物理场中的热量及物质扩散引起的复合自然对流问题有助于了解室内温度、湿度以及气体污染物浓度的分布特性,对进一步改善室内空气品质至关重要。多物理场中的复合自然对流涉及到环境、机械、化工、海洋和气象等诸多领域,其流体动力学特性和传热传质规律一直是人们研究的重点。本文以室内空气品质为研究背景,采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法,考察了室内温度、湿度(水蒸气浓度)和气体污染物浓度的分布特征,探讨了多物理场中自然对流传热传质的基本规律。在热质耦合传递的多物理场中,热力学流与热力学力之间是交叉影响的,即温度梯度的存在对传质具有一定的影响,称之为热附加扩散效应,同时浓度梯度对传热也有影响,即扩散附加热效应。本文以不可逆过程热力学为理论依据,考虑交叉耦合扩散效应的影响,研究在一个封闭系统中同时具有温度梯度、污染物浓度梯度和水蒸气浓度梯度的对流扩散问题,建立了三个梯度共存时层流和湍流自然对流传热传质的数学模型,为了便于更深层次地研究多物理场中的传热传质规律,分析过程中将数学模型进行无量纲化,整理得到影响多物理场中流动和传热传质的无量纲控制参数,通过大量的数值分析探讨了无量纲控制参数对传热传质的影响特性。数值研究结果表明,与单纯的热浮升力自然对流不同,多物理场中传热传质复合自然对流的强弱由热瑞利数Ra和综合浮力比数N共同决定。随着Ra数的增加,流动和传热传质均得到明显的增强。浮力比数的变化可能会增强流动也可能会削弱流动甚至使流动方向发生变化,取决于浓度梯度与温度梯度方向的关系。在本文边界条件下,当综合浮力比数N=1时浓度浮升力与热浮升力的作用正好抵消,系统内没有宏观流动;刘易斯数对传质的影响较为显著,随着刘易斯数的增加,其对应组分的传质速率明显增大;多物理场中交叉耦合扩散效应对传热和传质也有一定的影响,本文针对复合自然对流中交叉耦合扩散效应的影响,提出了修正的传热努谢尔特数和传质舍伍德数的表达式。当温度梯度的方向和浓度梯度的方向相反时,若交叉扩散效应准则数取正值,则传热和传质是相互削弱的,反之,则传热和传质是相互加强的。交叉扩散效应准则数的数值大小与组分的活度有关,需通过实验研究确定。本文在理论分析和数值模拟的基础上,以浓度为1.8%异丁烷作为气体污染物的替代气体进行了交叉耦合扩散效应的实验研究。左右两个密闭容器内充满异丁烷并以微细管道连通,以冷热水浴分别保持两个容器恒定的温度,温度差的存在引起热附加扩散效应促使异丁烷溶质迁移,稳定后测得高温密闭容器内的异丁烷浓度低于低温密闭容器中的异丁烷浓度,该实验表明传质舍伍德数不仅与浓度梯度有关,还受到温度梯度的影响,即热附加扩散效应对传质有一定影响。在此基础上进一步搭建了多组分对流扩散实验台,选用0.5%的丙烷作为污染物的替代气体,在实验测试小室水平方向施加温度梯度、丙烷浓度梯度和水蒸气浓度梯度,测得小室内的温度、湿度和气体污染物浓度的分布,获得了多物理场自然对流传热传质规律,与数值模拟结果比较发现二者吻合较好。多物理场中的传热传质影响因素众多,规律较为复杂,传热与传质相互影响且存在强烈的非线性耦合作用,本文重点研究了各个因素的影响特性,得到了多物理场中各控制参数对传热传质的影响规律,为研究多物理场中的热质传递奠定了理论基础。