Techniklexikon

Rayleigh-Bénard-Konvektion

Nichtlineare Dynamik, Chaos, Fraktale, von H. Bénard um 1900 experimentell untersuchtes und 1916 durch Lord Rayleigh theoretisch beschriebenes thermisches Konvektionsphänomen, das bei von unten erwärmten Flüssigkeits- oder Gasschichten in einem Gravitationsfeld auftritt. Während kleine Temperaturdifferenzen zwischen der Ober- und Unterseite der Schicht noch durch Wärmeleitung ausgeglichen werden können, setzt bei Überschreiten einer kritischen Temperaturdifferenz eine Flüssigkeitsbewegung ein und es kommt zur Ausbildung von Konvektionsrollen, durch die ein effizienterer Wärmetransport realisiert wird. Dabei steigen von unten erwärmte Flüssigkeitselemente auf Grund ihrer geringeren Dichte auf und kältere Flüssigkeitsvolumina sinken ab (siehe Abb. 1 und 2). Die Rayleigh-Bénard-Konvektion ist ein wichtiges Beispiel für Strukturbildung und Selbstorganisation in nichtlinearen Systemen, die sich auf Grund äusserer Einflüsse (hier die extern aufrechterhaltene Temperaturdifferenz zwischen den Schichten) nicht im thermischen Gleichgewicht befinden.

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Rayleigh-Bénard-Konvektion 1: Entstehung rollenförmiger Konvektionszellen bei der kritischen Temperaturdifferenz DT_cr.

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Rayleigh-Bénard-Konvektion 2:

Aufnahme der bienenwabenartigen fluiden Zellstruktur: sechseckige Konvektionszellen einer dünnen Flüssigkeitsschicht mit freier Oberfläche, die von unten erhitzt wird.