貝納德對流，又稱瑞利-貝納德對流，是在從下方加熱的流體的平面水平層中發生的一種自然對流。在該層中，流體形成一種稱為貝納德原胞的規則對流原胞。這種對流模式是最常被研究的對流現象之一，同時也是一種自組織非線性系統。
基本介紹
- 中文名：貝納德對流
- 外文名：Bénard convection
Rayleigh–Bénard convection - 適用領域：熱力學、非線性系統
- 所屬學科：物理學
- 別名：瑞利-貝納德對流
- 發現者：貝納德(Benard,C.)
- 發現時間：1900年
定義,性質,實驗觀察,
定義
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.
性質
失穩條件
貝納德對流的失穩條件為瑞利數
達到某臨界值，其中g為重力加速度，β為流體體積膨脹係數，α為熱導率，v為運動粘性係數，L為流體層厚度，Tb-Tu為流體上下面溫差值.
隨著瑞利數的增加，引力起主要作用。當臨界瑞利數為1708時，不穩定集起作用，對流原胞出現。
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(參見 “耗散結構理論”).
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。
貝納德原胞常出現於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。
實驗觀察
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。
