自然界中存在的热对流现象大部分都具有粗糙边界,研究粗糙壁面Rayleigh-Benard(RB)湍流热对流对理解湍流传热和流动结构具有重要的理论价值和实际意义。本文使用直接数值模拟的方法研究粗糙壁面RB湍流热对流,主要参数Rayleigh数(Ra)和Prandtl数(Pr)分别为107≤Ra≤109和10-2≤Pr≤102。计算中采用的粗糙元形状为等腰直角三角形,通过改变粗糙元高度h从而改变粗糙元数量,聚焦于研究h和Pr数对系统传热和流动结构的影响,主要有以下两个方面结论:1)流动结构方面,Pr数较小时,流体流动非常剧烈,大尺度环流(LSC)中心会随时间发生位移,并且角涡不能稳定存在于对角处。随着Pr数的增加,大尺度环流变得稳定,对角处能发现两个明显的角涡。当Pr数很大时,系统中存在大量羽流,大尺度环流和角涡消失。在107≤Ra≤109区间内,光滑情况Reynolds数(Re)满足Re～Pr-0.88±0.04的标度律关系。对于粗糙情况,粗糙元对流场的作用分为两个方面,一方面粗糙元会限制大尺度环流的尺寸,大尺度环流速度受此影响而降低,粗糙元高度h较小时Re数相比于光滑情况有所减小。另一方面随着h增加,粗糙元对羽流的生成和二次涡的促进作用占主导,羽流为大尺度环流提供能量,大尺度环流速度增加,Re数会大于光滑情况。2)传热方面,当粗糙元高度h较大时系统传热增强,h较小时系统传热受抑制,由此定义与光滑情况传热相同时的粗糙元高度为临界高度hc。hc随着Pr数的变化可以分为三个区域:大尺度环流主导区,Pr数增加时,温度边界层变薄,粗糙元更容易破坏边界层,因此hc随着Pr数增加而降低;角涡-大尺度环流竞争区,角涡与大尺度环流之间的竞争抑制了系统传热,在其影响下hc随着Pr数增加而增加;羽流主导区,系统的流动状态变为由羽流结构主导,粗糙元能促进羽流更频繁的产生,因此hc随Pr数增加再次降低。最后通过量纲分析得到分割三个区域的临界普朗特数Prc满足Prc～Ra0.26±0.03与数值模拟结果Prc～Ra0.27±0.03较为符合。