进入二十一世纪，能源短缺成为一个重要的问题凸显在人类面前。传统的化石燃料，如煤炭，石油等，其大量使用所带来的副作用，如温室效应，酸雨，光污染等日益威胁人类的生存环境，而且在可预见的未来，都有耗尽的可能性。由此，安全环保可再生的能源及其利用方式日益受到人们的关注。热声发动机和热声制冷机由于在可再生能源的有效利用方面具有巨大潜力，且其工作介质对环境友好，在近几十年都得到了快速的发展。　　 热声现象从发现到建立一套描述其机理的物理模型已有两百年的历史。其理论由Rayleigh、Kirchhoff、 Rott和Swift等前人逐步建立，从简单的管道声波传播特性，到热对声波传播的影响，再到热声系统中的截面损失到直流影响，人们对热声现象的认识越来越全面。热声热机的实物模型如热声发动机和热声制冷机等也相继出现并投入实际应用。　　 在真实的热声热机系统中，由于流体内部存在着温度差，使得各部分流体密度不同而产生自然对流，在实验中也观察到脉管制冷机对冷端指向的敏感性问题，发现自然对流会影响热声热机的效率。由此可见，交变流动与自然对流存在着某种耦合关系。到目前为止，热声交变流动与自然对流的耦合问题还缺少深入细致的研究工作。研究热声交变流动理论与自然对流的耦合机理，一方面是解决热声系统中浮力效应不良影响的需要，另一方面是对现有热声理论的扩展和深化。针对上述科学问题，本论文开展了以下几个方面的理论和数值模拟工作:　　 1.热声交变流动与自然对流耦合机理研究。　　 从热声线性理论出发，研究了浮力对流与热声交变流动的耦合规律。基于线性理论方法，给出了浮力-热声线性理论模型，分析了浮力效应和Ra数对交变流动的影响，发现自然对流的存在明显影响交变流动速度分布及其“环形效应”，并通过二维的N-S方程直接数值模拟，观察到类似浮力-交变流动速度分布的多波峰波谷情况，验证了线性理论分析结果的正确性。　　 从真实的脉冲管制冷机出发，提炼出浮力-热声交变流动二维数值计算模型。在交变流动瞬时流场结构和交变流动与自然对流耦合作用产生的二次流的研究中，发现自然对流形成的直流在二次流中占主要部分，通过各种不同倾角（温度梯度反方向与重力的夹角）的二次流和自然对流的对比，我们发现针对不同的Ra数，存在一个临界倾角。当大于此临界倾角的时候，交变流动与自然对流是积极协同的作用，两者耦合产生的直流比自然对流强，交变流动Nu数比自然对流Nu大，交变流动会加强自然对流;而当小于此临界倾角的时候，交变流动与自然对流是消极抵触的作用，两者耦合产生的直流比自然对流弱，交变流动Nu数比自然对流Nu小，交变流动减弱自然对流。通过不同频率的二次流的对比，我们发现增加频率会减小二次流速度，降低Nu数，降低换热。通过不同进出口压力差的二次流的对比，我们发现增加压力差会增大二次流速度，增大Nu数，增强换热。　　 2.热声脉冲管制冷机中自然对流的抑制。　　 前人对脉冲管制冷机中自然对流的抑制，很多都是用在脉管中填充丝网的方法，其效果还不能令人满意。本文针对热声脉冲管制冷机，研究了抑制热声交变流动中自然对流的方法。研究发现改变流场的几何形状（从矩形变为锥形taper），可以很好地抑制自然对流，并通过数值模拟细致地分析、比较了关键参数对抑制效果的影响。　　 3.水平加热壁面的交变流动声流与自然对流耦合机理分析　　 针对谐振方腔内交变流动产生的声流与自然对流的耦合机理分析，发现自然对流会强化交变流动声流并且改变壁面不同位置的热量传递，增强换热。当声强度很弱的时候，流场结构表现出自然对流的特性。随着声强度的增加，流场结构逐渐趋向于两个声流涡包的形式。　　 4.周期性加热边界产生的热声波研究　　 通过对方腔内周期性加热产生的热声波的计算，揭示了热声波的产生，传播和逐渐饱和的过程，研究了热声对流对流场和热量传递方式的影响。发现周期性加热产生的热声波不同于指数和阶跃产生的热声波。整数倍频率和分数倍频率产生的热声波，在压力波的幅值，压力波的形状和流场结构方面明显不同。分析不同频率的温度场，我们发现整数倍频率的中心点温度整体升高，而分数倍频率的中心点温度整体降低。