基本介紹
- 中文名：瑞利-貝納德對流
- 外文名：Rayleigh–Bénard convection
簡介,物理過程,對流形成,熱傳導特徵,表面張力效應,歷史與命名,另見,
簡介
瑞利-貝納德對流（Rayleigh–Bénard convection）泛指一類自然對流，這類對流常常發生在從底部加熱的一層流體表面上。發生對流的流體在表面形成的、具有規則形狀的對流單體叫做貝納德原胞（Bénard cell）。因為在理論研究和實驗上並具可行性，瑞利-貝納德對流是被研究得最多的對流現象之一，而對流形成的圖案也成為了在自組織的非線性系統中被測試得最細的一個例子，在物理學以及大氣科學中被廣泛用於各種環流和對流現象的研究中。
物理過程
瑞利-貝納德對流的特徵可以通過法國物理學家亨利·貝納德在1900年完成的一個簡單實驗來觀察。
對流形成
實驗利用了夾在兩層平行板之間的一層液體（例如水）。首先，令上下兩板的溫度一致；夾在兩板之間的液體會趨向熱力學平衡；此平衡也是漸進穩定的。接著，稍稍升高底部的溫度將導致熱量通過液體向上傳導；系統開始出現熱傳導的結構，線性的溫度梯度被建立起來。此時，微觀的無序運動會自發地在巨觀尺度上變得有序，形成具有一定特徵相關長度的貝納德原胞。
熱傳導特徵
在瑞利-貝納德對流中，對流原胞的旋轉是穩定的，順時針和逆時針的方向交替出現：這是自發對稱破缺的一個實例。貝納德原胞處於亞穩態，較小的擾動不會改變原胞的旋轉，而較大的則會有影響。這也是某種形式的遲滯現象的表現。
另外在模擬的過程中也發現，微觀層面上具有決定性的定律，在巨觀層面上卻造成了非決定性的結果。對初態進行微觀層面上的擾動足以產生非決定性的巨觀效應。某個微觀擾動在巨觀上產生的效應是無法計算的，這也是複雜系統（complex system）的特徵之一（即蝴蝶效應）。如果進一步提升液體底部的溫度，之前形成的湍流會變得混沌起來。
對流的貝納德原胞趨向於形成規則的正六角稜柱，特別是在沒有過分擾動的情況下；在某些實驗條件下，原胞也會出現正四稜柱或螺旋狀。
貝納德原胞常出現在由表面張力驅動的對流中。一般來說，瑞利和皮爾森的分析（線性理論）的解導致了簡併的出現。若考慮實際的系統，對流圖案則取決於系統邊界的形狀。
