垂直圆管作为换热介质的载体已被广泛地应用于工业界中的换热设备中。例如,太阳能发电站能量接收装置的换热载体之一就是垂直圆管;当汇集的太阳辐射作用在圆管壁面上时,可产生壁面与管内流体的热量交换,而受热流体可发生自然对流流动,且流体流动会把获得的热量带走。由于垂直圆管内这种对流和换热的广泛存在,开展相应的研究有其重要的基础研究价值和工程实践意义。本文采用尺度分析方法研究了垂直圆管内自然对流的动力和传热机制。考虑了两种加热方式,分别为等温加热和等热通量加热。通过尺度分析,分别得到了两种加热条件下定常和非定常状态热边界层厚度和速度的尺度关系式,以及等温加热条件下体积流率和努塞尔数的尺度关系式。本文也利用直接数值模拟结果研究了圆管内流体的温度和流动结构。主要考虑了瑞利数和圆管无量纲曲率的影响。首先,利用数值模拟结果对获得的尺度关系式进行了验证,理论分析结果与数值结果是符合的。其次,基于数值结果,观察分析了圆管内的流动和传热:当无量纲曲率为1且瑞利数为102时,传热由导热控制,没有清晰的热边界层,流体呈垂直分层结构:当瑞利数达到106时,由于对流的增强,靠近圆管出口会出现回流结构;当无量纲曲率进一步增大时,涡结构会向下游移动并增大,且对称性会破坏,传热受到抑制。本文虽然对不同无量纲参数下的垂直圆管内的自然对流流动和传热进行了分析,得到了主要流动特征与主要控制参数之间的定量关系,且已得到数值结果的检验,但进一步的深入分析以及相应的实验验证也是未来亟待完成的工作。