瑞利-贝纳德对流 （Rayleigh–Bénard convection ）泛指一类自然对流 ，这类对流常常发生在从底部加热的一层流体表面上。发生对流的流体在表面形成的、具有规则形状的对流单体 叫做贝纳德原胞 （Bénard cell ）。因为在理论研究和实验上并具可行性，瑞利-贝纳德对流是被研究得最多的对流 现象之一[ 1] 自组织 的非线性系统 中被测试得最细的一个例子[ 2] 物理学 以及大气科学 中被广泛用于各种环流 和对流现象的研究中[ 3]
贝纳德原胞 浮力 和重力 是形成瑞利-贝纳德对流的主要原因。位于底部的液体因为受热而密度较低，在其上浮过程中自发形成了规则的原胞图案[ 4]
重力场中的对流原胞 瑞利-贝纳德对流的特征可以通过法国物理学家亨利·贝纳德
实验利用了夹在两层平行板之间的一层液体（例如水 ）。首先，令上下两板的温度一致；夹在两板之间的液体会趋向热力学平衡 ；此平衡也是渐进稳定 的。接着，稍稍升高底部的温度将导致热量通过液体向上传导；系统开始出现热传导 的结构，线性的温度梯度被建立起来。此时，微观的无序运动会自发地在宏观尺度上变得有序，形成具有一定特征相关长度的贝纳德原胞。
瑞利-贝纳德对流的电脑模拟 在瑞利-贝纳德对流中，对流原胞的旋转是稳定的，顺时针和逆时针的方向交替出现：这是自发对称破缺 的一个实例。贝纳德原胞处于亚稳态，较小的扰动不会改变原胞的旋转，而较大的则会有影响。这也是某种形式的迟滞现象 的表现。
另外在模拟的过程中也发现，微观层面上具有决定性的定律，在宏观层面上却造成了非决定性的结果。对初态 复杂系统 （complex system）的特征之一（即蝴蝶效应 ）。如果进一步提升液体底部的温度，之前形成的湍流会变得混沌 起来。
对流的贝纳德原胞趋向于形成规则的正六角棱柱，特别是在没有过分扰动的情况下[ 5] [ 6] [ 7] [ 8]
变化多端的瑞利-贝纳德对流 贝纳德原胞常出现在由表面张力驱动的对流中。一般来说，瑞利和皮尔森的分析[ 9]
由于液体的上表面和下表面之间有密度梯度，重力会使较冷的、密度较大的液体向下运动，而此运动会受到液体粘性 阻尼 的阻扰。两股作用力的平衡可以由一个无量纲的参数（瑞利数 ）来表示。此处的瑞利数定义如下：
R
a
L
=
g
β
ν
α
(
T
b
−
T
u
)
L
3
{\displaystyle \mathrm {Ra} _{L}={\frac {g\beta }{\nu \alpha }}(T_{b}-T_{u})L^{3}}
其中
Tu 表示液体上表面的温度；Tb 表示液体下表面的温度；L 表示容器的高度；g 表示重力加速度 ；ν 表示黏度 ；α 表示热扩散率 ；β 表示热膨胀系数 。随着瑞利数的增大，重力在系统中的影响越大。系统在临界瑞利数1708[ 2]
在某稳定系统中通过对线性化的方程进行微扰分析，可获得某些边界条件下的临界瑞利数[ 10] 瑞利男爵 在1916年解出的情况[ 11] 27 ⁄4 4 ≈ 657.51[ 12] 刚性 的底部和自由的顶部边界条件（对应着无盖的水壶），则有临界瑞利数 Ra = 1,100.65[ 13]
若液体上表面与空气接触，浮力和表面张力 也会参与对流图案的形成。由于马伦哥尼效应 ，液体趋向于流向表面张力较强的区域。升高温度会降低液体的表面张力，导致液体从较热的区域流向较冷的区域[ 14]
瑞利男爵 是最早对瑞利-贝纳德对流进行成功的理论分析的科学家，他假设的边界条件是：在上下表面边界，流体速度在竖直方向上的分量为零，且没有温度干扰。这些假设令他的分析与亨利·贝纳德的实验相左。之后，皮尔森基于对表面张力的考虑，重新对贝纳德的实验进行了分析[ 9] [ 1] [ 2]
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