自然对流这一热物理现象的流动与换热规律的定性和定量研究在工程的实际应用和日常生活中都极具学术价值。盘管换热器与螺线管中广泛存在环形单体及多体结构的自然对流现象,然而现有研究却少有针对单体结构,尤其是对尺寸较小的紧密排布圆环的自然对流研究,同时工业应用的进步对其需求日益紧迫。因此,本文对该环形单体及多体结构(较小尺寸)采用Bejan等人所提出的新模型,在瑞利数为10 ≤Ra ≤ 5 × 105的范围内进行了一系列的数值研究。此模型所采用的对称边界条件既可保障数值计算的精确度,同时还能大幅地缩减所需的计算区域尺寸,解决了自然对流研究领域中受到长期困扰的技术问题——大空间计算区域所导致的庞大计算量和较高的成本。本文基于该模型,首先对固定小尺寸(L/D=0.5)圆环单体结构在10 ≤Ra ≤5 × 105范围的空气中(Pr=0.72)自然对流开展数值计算。分析了该模型在不同瑞利数情况下的无量纲温度分布云图、压力分布云图、流线图、无量纲温度和速度分布图、努塞尔数及阻力系数等。数据显示圆环中间区域存在烟囱效应和加热效应,当瑞利数增大时烟囱效应增强加热效应减弱。在此合作用下,当瑞利数增加到圆环两截面的热边界层相切时(此时Ra=104)平均努塞尔数与同条件下等温圆柱的平均努塞尔数比值Nu/Nu0达到极大值1.019。当瑞利数继续增大或减小时,热边界层处于交叉或分离状态,Nu/Nu0均小于1。此外,还分别获得了圆环单体结构在上述瑞利数研究范围内普适的精确换热关联式。其次,在研究固定尺寸圆环单体结构的基础上,继续对水平缩放(0.1 ≤L/D ≤ 5)圆环单体在Ra=10范围内多达15种结构的自然对流传热过程进行数值研究,探究水平方向上间距变化时加热效应和烟囱效应的变化对换热能力的影响。数据显示当L/D较小时,圆环两截面的热边界层相互交叉重叠,并且向中心轴线大幅偏移。当L/D从0.1增加时,平均努塞尔数先减小后增大,极小值点位于L/D=0.4附近。当L/D继续增大时,平均努塞尔数接近于水平等温圆柱的换热情形。另外给出了该15种结构的热物性参数结果以供工业应用参考。最后,为探究竖直方向环形阵列之间的上下游预热效应对换热的影响,本文对竖直双体环形结构进行数值模拟。结果表明当热边界层在下圆环处相切时在上圆环处仍保持相交,中心线处的无量纲温度约为0.43。圆环内侧流体运动速度普遍高于外侧流体的运动速度。并且在重力相反的方向上流体速度的差距在逐渐的增加。在上圆环的下切线处的无量纲速度从L’/D=0.5时的0.6个单位激增到L’/D=2.0时的0.84个单位。最后,通过对平均努塞尔数Nu和间距L’/D的拟合得到了在Ra=104,L/D=0.5,0≤L’/D≤2范围内的关联式本文对上述三种代表性的环形结构的自然对流传热开展数值研究,所获的结果为工程换热中普遍应用的盘管换热器及螺线管的结构设计和传热优化提供一定的依据,具备一定的自然对流研究学术意义和换热领域的工程参考价值。