在设备能耗不断增加的今天,常规散热方式的散热能力难以满足散热要求,寻求一种新型的散热方式显得越来越迫切。自然对流换热作为一种常见的换热方式,其换热机理还未得到完全揭示。浮力驱动的自然对流在传热传质领域的应用前景正受到了学术界的广泛关注。对自然对流的流动机制与本质属性的深入研究将会开启流体力学与传热学相结合的新领域的发展,为未来新型的散热模式开辟启发性新思路,同时也为其在实际工程应用中的推广提供了理论支持。因此本文对半无限大空间自然对流的基本属性以及自然对流换热的影响进行了直接稳定性分析,通过数值模拟的方法探讨了不同工况下自然对流边界层内的传热特征以及流动特性,揭示了边界层不稳定特性。本项研究利用了 CFD模拟平台建立了等温竖直壁面自然对流边界层的数值模型,并在直接数值模拟(DNS)框架下,通过稳定性分析,研究了层流到湍流过渡区内(Ra=8.7×107～1.1× 109)以空气(Pr=0.7)为工作介质的自然对流边界层的对流不稳定性。为了揭示热边界层对流不稳定性的时空演化规律,首先在自然对流边界层的边界条件中引入了微小振幅的随机模式数值扰动。通过对边界层内获得流向分布的温度时间序列进行傅里叶变换,从而得到了边界层内功率谱的流向演变结果,结果表明全频谱扰动(即白噪声)大部分在经过起始的上游边界层时便立即衰减。在靠近竖直壁面前缘的上游部分,边界层内的低频带最初在整个频带内是较为明显的,但随着边界层的不稳定流动向下游传播,低频带在空间上逐渐衰减。相比之下,在边界层向下游发展的过程中,高频带却逐渐凸显出来并取代低频率带成为了热边界层过渡区域中的主导频率带。为了进一步地了解边界层发展过程中保存下来的高频带的性质,在等温竖直壁面前缘附近的边界层内人为地引入了各种频率的单模扰动。研究发现,具有高频带内峰值频率的单模扰动的引入会激发热边界层的最大响应,这表明随机模式数值扰动研究获得的峰值频率实际上就是热边界层的特征频率或共振频率。通过对层流-湍流过渡区内的一系列瑞利数的研究,揭示了特征频率对Ra依赖性关系式的无量纲形式为fc=0.07Ra2/3。单模数值扰动研究也揭示了对流不稳定波的传播速度,数据结果表明了它比热边界层的对流流动速度要大,同时证明了自然对流Ra越小,两种传播速度之间的差异就越大。本文另外还推导出了对流不稳定波动传播速度的半解析尺度,可以表示为csc～Ra1/2y 1/2Pr(其中y表示边界层的流向位置),该式提供了一种可用于热边界层控制的预测关系。