自然對流亦有層流和湍流之分。以貼近一塊熱豎壁的自然對流為例來作分析，其自下而上的流動景象如圖1所示。

在壁的下部，流動剛開始形成，它是有規則的層流；若壁面足夠高，則上部流動會轉變為湍流。

不同的流動狀態對換熱具有決定性影響。

層流時，換熱熱阻完全取決于薄層的厚度。從換熱壁面下端開始，隨著高度的增加，層流薄層的厚度也逐漸增加。與此相對應，局部表面傳熱系數也隨高度增加而減小。如果壁面足夠高，流體的流動將逐漸轉變為湍流。湍流時換熱規律有所變化。研究表明，旺盛湍流時的局部表面傳熱系數幾乎是個常量。

自然對流換熱分為大空間自然對流換熱和有限空間自然對流換熱兩類。流體在大空間作自然對流時，流體的冷卻過程與加熱過程互不影響。這類問題比較簡單，但總結出的關聯式卻具有很大的實用意義，它可以應用到比形式上的大空間更廣的范圍。因為在許多實際問題中，雖然空間不大，但熱邊界層并不相互于擾，因而可以應用大空間自然對流換熱的規律計算。換句話說，就是可以把它當作大空間問題來處理。

所謂大空間，實際上只要邊界層不受干擾就可以適用，不必拘泥于幾何形式上的很大或無限大。

由于流體內部溫度差引起密度不同而形成浮升力，在此浮升力引發的運動下所產生的換熱過程，又稱自由運動換熱。熱力管道、熱力設備、鍋爐爐體等與周圍空氣之間的換熱都是自然對流換熱。它的強度取決于流體沿固體換熱表面的流動狀態及其發展情況，而這些又與流體流動的空間和換熱表面的形狀、尺寸、表面與流體之間的溫差、流體的種類與物性參數等許多因素有關，是一個受眾多因素影響的復雜過程。

近年來已經提出了許多數值計算方法，用來求解流體流動及對流換熱問題。常用的方法有：有限差分法、有限元法、邊界元法、有限分析法。

從方法發展與積累的經驗、實施的難易及應用的廣泛性等方面，就目前而言，隨著計算機的應用，有限差分法還是一種通用的方法。有限差分法可以采用不同的差分格式，通常選用顯格式和隱格式。凱勒單元法實質上也是一種隱格式，其主要特點有：無條件穩定，可用變步長網格、二階精度，可取較大的步長值、聯立方程求解的程序編制簡便，但在建立離散方程系數時，其運算比較復雜。由于凱勒單元法有其固有特性，因此，早在20世紀70年代，就有許多的研究者將此法用于求解邊界層問題。在最近20年中，此方法發展已比較成熟。

以水平環縫內具有密度極值流體的自然對流換熱問題為對象，采取實驗觀測和數值模擬相結合的方法研究其傳熱特性及其強化、流動結構型式及其演變過程等。首先，通過系統的實驗研究，獲取各種條件下的總體傳熱性能數據，整理得到傳熱關聯式；然后，通過可視化實驗，觀測流場結構、流動的穩定性和流型演變過程，分析傳熱性能與流型之間的關系，探討強化傳熱的有效途徑；最后，以實驗觀測為基礎，建立合理的物理數學模型，并進行直接數值模擬，確定流動失穩的臨界條件，獲取流動失穩后各種可能的流動結構及傳熱特性，借助于POD (Proper orthogonal decomposition)技術探討流動失穩的物理機制。本研究對于豐富和發展具有密度極值流體的自然對流換熱理論具有重要理論意義和科學價值，并可望在探索具有密度極值流體的自然對流失穩機制方面獲得創新性的理論成果。

本項目以水平環縫內具有密度極值流體的自然對流傳熱問題為研究對象，采取實驗觀測和數值模擬相結合的方法研究其傳熱特性及其強化、流動結構型式及其演變過程等，得到了各種條件下的傳熱關聯式，揭示了流型演變與傳熱特性之間的關系。所得到的主要結論如下：（1）在同心水平圓形環縫內，在任何密度倒置參數下流場和溫度場都是關于垂直軸對稱的，流型主要取決于密度倒置參數和Rayleigh（Ra）數的大小。當Ra數增大到某一值時，在環縫上部或下部將會出現Bénard流胞，這種二次流胞的出現應該歸因于逆向密度梯度層內的Rayleigh-Bénard不穩定性。當Ra數更進一步增大時，流動會轉化為振蕩對流，流場和溫度場不再對稱。內壁平均Nusselt（Nu）數隨Ra數和半徑比的增加而增大，隨密度倒置參數的增加而先減小、再增大，在密度倒置參數約為0.5時最小。（2）在垂直偏心環縫內，流型特征與同心環縫類似，但Bénard流胞的數量會發生變化；在水平偏心環縫內，流型不再對稱，且隨著偏心距的增加，Bénard流胞出現的臨界Ra數減小。當流動轉化為振蕩流動時，失穩機理與同心環縫相同。當Ra數較小時，隨著偏心距的增加，流動被強化，內壁平均Nu數增加，當Ra數較大時，流動失穩，偏心距對平均Nu數影響很小。（3）在橢圓環縫內，流場與溫度場會受到流道徑向比和橢圓比的影響，總的傳熱性能會隨著流道徑向比的減小和橢圓比的增加而增強。橢圓環縫繞垂線的偏轉會使流型更復雜，此時，流型和局部Nu數的對稱性消失，但是，內壁平均Nu數幾乎不變。（4）通過對徑深比為2的圓柱形腔內具有密度極值的冷水的自然對流的數值模擬結果表明，密度倒置現象對流動轉變的臨界Ra數和可能存在的流型具有重要的影響。當密度倒置參數為0.3時，在計算范圍內發現了8種可能存在的流型，而且，在某些Ra數范圍內，可能同時存在幾種流型。（5）當在水平環縫內壁設置三維擴展肋片時，內壁平均Nu數隨著肋片高度和肋片縱向間距的增加而增大，隨著肋片寬度的增加而減小，而每周分布肋片數對其影響很小。

它又可分成大空間內自然對流換熱和有限空間內自然對流換熱兩種。前者的無量綱關系式常表達為式中下角標m表示無量綱數中的物性參數是根據溫度tm=(to tf)/2確定的，to和tf分別為固體表面和液體的溫度；系數C和指數n的數值隨固體表面的形狀、大小和位置的不同而異。

有限空間內自然對流換熱的關系式因空間的幾何形狀、大小和放置方位不同而異，所以公式繁多。在計算時須根據不同的問題查閱有關手冊。