随着煤矿机械化和智能化技术的日趋成熟,煤矿无通风智能绿色开采成为可能。本文以无通风采煤工作面自然对流换热为研究背景,通过实验和数值模拟相结合的方法研究了封闭腔体自然对流换热特性。本文首先基于相似准则搭建了实验平台,对内热源和壁面温差同时作用下的封闭腔体自然对流换热进行了实验研究,其次建立和相似实验平台一致的数值模型,通过Fluent软件对封闭腔体的温度场和速度场进行数值模拟,将实验结果和数值模拟结果进行对比,验证了RNG k-ε湍流模型的正确性,研究了不同气体在不同环境压力下以及不同围岩材料对自然对流的影响;最后分别建立内热源驱动的封闭腔体湍流自然对流、含多孔介质的复合腔体自然对流物理模型,为使研究结论具有通用性和规律性,将控制方程进行无量纲化,从热源位置、高度、数量、腔体倾斜角和高宽比、Ra数以及多孔介质参数等不同角度分析了多种因素对封闭腔体自然对流换热的影响。研究结果有助于进一步揭示通风采煤工作面的自然对流流动和传热规律,对无通风采煤工作面热环境控制、规避采煤工作面机械热害、消除矿井瓦斯爆炸和自燃火灾等具有现实意义。为研究无通风采煤工作面自然对流换热现象,基于相似准则搭建含内热源的实验平台,采用PIV粒子测速仪和热电偶相结合的研究手段对实验平台内自然对流作用下的温度场和速度场进行实验测量。实验结果表明,自然对流流动与传热耦合影响,温度场和速度场均出现分层现象;壁面温度不变,热源温度越高,自然对流换热越强;另一方面,温度热分层会抑制流体向上流动,而趋向于水平流动。在上述研究基础上,建立和实验平台相一致的物理模型,利用数值模拟研究了不同环境压力下的不同气体以及不同围岩导热系数对封闭腔体自然对流换热的影响。结果表明,相同环境压力下,空气和氮气促进热源散热的性能接近,且优于甲烷;低压对自然对流换热的影响很小;当环境压力从0.1MPa升至0.15MPa,自然对流换热增强,空间内温度分布更均匀,热源表面平均传热系数增加了25.6%;围岩导热系数与封闭腔体内自然对流换热强度呈正相关,围岩导热系数增大对热源散热有促进作用,但热源表面的自然对流平均换热系数最大不超过10.58 W·（m~2·K）-1,表明必须通过强制对流或者风冷进一步提高热源表面换热能力来实现。为研究机电设备散热形成的自然对流对无通风工作面温度场和速度场的影响,建立了内热源驱动的封闭腔体湍流自然对流物理模型,首先将数学模型无量纲化,从而使研究结果有普遍性和规律性,并采用本文建立的数学模型和模拟方法与Larson D W的实验结果进行对比,最大误差为8.5%,验证了研究方法的正确性。通过研究温度场、流场、局部Nu数、平均Nu数、竖直中心线的无量纲温度和速度等分析对比热源位置、高度、数量以及腔体倾斜度和高宽比等情况对封闭腔体温度和速度分布的影响。研究表明,热源位于腔体中心底部有利于对流换热,存在最佳热源尺寸,使得热源自然对流换热效率最大;在研究范围内,腔体高宽比和倾斜角越大,在一定程度会减弱自然对流换热的强度。为研究采空区对无通风工作面自然对流换热的影响,建立了含多孔介质的复合腔体自然对流模型,研究了无量纲参数瑞利数Ra、多孔介质区域宽度、孔隙度对复合腔体流动与传热的影响。瑞利数Ra和多孔介质的宽度对复合腔体内自然对流换热强度有很大影响,而多孔介质孔隙率对复合腔体内的自然对流换热影响很小。Ra数越大,复合腔体内自然对流流动和传热越强烈;而复合腔体中多孔介质厚度增加,会削弱流体侧的流动传热的强度。孔隙率变大使得复合腔体多孔介质区域流动和传热增强,但是对流体域的流动和换热有一定减弱作用。