基本介紹
- 中文名：貝納對流
- 外文名：Benard convection
- 時間：1900
- 貢獻：發現了對流有序現象
- 屬性：這是一種巨觀有序的動態結構
簡介,物理模型,研究概況,
簡介
貝納對流，一種流體自組織現象.由法國人貝納德(Benard,C.)於1990年發現.當由底部加熱水平金屬板上的流體薄層時,開始只有微觀的熱傳導而巨觀上保持靜止.但當溫度梯度超過某臨界值時,流體會突然出現巨觀可見的對流圖案結構.當上表面為自由時,從上向下可見其形狀為六角形格子;而上表面亦有平板約束時，從側面觀察則可見對流呈兩兩相背方向的旋轉捲筒狀. 這種現象稱為貝納德對流.後人進一步研究發現，其失穩條件為瑞利數達到某臨界值，其中g為重力加速度，月為流體體積膨脹係數，k為熱導率，v為運動粘性係數，d為流體層厚度，DT為流體上下面溫差值.貝納德對流是非平衡系統自組織或耗散結構現象的早期例子。
物理模型
在直角坐標系Oxy 中，有一立方體腔體，格線表面分別是上下固定表面，用來保持一定的溫度梯度． 周圍四個面是絕熱面，與外界沒有任何熱傳遞． 腔體中充滿液體．從下固定邊界加熱，上表面保持溫度不變． 由於液體的上層溫度T2 低於液體的下層溫度T1，下層液體受熱膨脹，密度減小，在浮力的作用下向上層運動，與此同時上層液體向下運動，由於液體具有粘性，這些運動會受到液體粘滯力的阻礙． 當溫差ΔT = T1 － T2 較小的時候，由溫差產生的浮力不足以克服粘滯力的作用，液體靜止不動，呈現典型的靜態熱傳導過程． 當下部繼續加熱，溫差ΔT 大於某個值時，將出現一種平穩的類似六角形的對流翻滾狀態，在六角形的中心流體向上運動，邊緣流體向下運動。
研究概況
貝納德實驗在非平衡熱力學、非平衡態統計物理和非線性力學中都是一個非常重要的研究課題． 連續介質力學中的貝納德對流是布魯塞爾學派最早用來說明他們的耗散結構物理圖像的典型例子之一 ，而且在力學中也是混沌現象的代表性實驗 ． 國內外不少文獻對其實驗和產生的非線性理論作了定性描述． 近年來有國外學者在Boussinesq 假設下從理論上初步研究了三維情況下，溫度場和磁場對貝納德對流的擾動，並建立了溫度場和磁場的擾動方程． 有學者以三維圓柱體腔體為模型，在不同瑞利數下對貝納德對流熱耗散率作了統計分析，得出無量綱數之間的標度律關係 。
八十年代，Libchaber 研究組提出了混合理論． 該理論認為腔體內的液體分為三個區域． 並認為冷熱羽流從上下溫度邊界層產生，在混合區域內合併，然後進入中央區域內． 當上下溫差達到一定的臨界值時，液體會出現平穩的、類似以六邊形的對流翻滾狀態． 在六邊形的中心液體向上流動，六邊形的邊緣，液體向下流動。
Gertsenshtein，Zheligovsky 基於Boussinesq 近似，研究了三維腔體中平面薄層液體在外場擾動下的理論．但是沒有得到試驗驗證． 儘管混合理論對貝納德對流現象的定性解釋比較完美，但是未能實驗驗證． 在1991年，有研究認為貝納德對流與瑞利流不同，不是浮力而是表面張力的作用． 這使人們對混合理論產生了疑問．1997 年Ning，Yoshifumi，Hideo 認為貝納德對流是非線性科學中的一個重要的模型，具有實驗簡單並且易於控制的優點，支配方程比較明確，於是將其作為研究非線性科學的重要課題． 1999 年王晉軍等人認為，存在的問題是硬湍流是否為Benard 對流的極限狀態。
在近十年來對貝納德對流的研究相當活躍． 學者們從自組織結構出發，認為當溫度梯度達到一臨界值時，靜止的液體出現了許多規則的六邊形，在元包中心液體向上運動，邊緣液體向下運動，這時液體內分子出現巨觀有序組織。
國內學者利用貝納德對流現象的產生對地震進行預測 ，也有學者利用貝納德對流原理分析冰雹的產生和預測取得了初步模型的成功． 這些研究對從理論到實驗的過度和跨越有一定參考價值． 但定量上討論貝納德流的穩定性和產生條件等問題則報導較少。
