Non Boussinesq convective structures in water near 4 °C

Abstract
The convective properties of a water layer near 4 °C have been examined by means of local velocity measurements. The non linear density profile of such a layer produces qualitatively different behaviour from that observed in « Boussinesq » fluids. In particular a hexagonal dissipative structure is observed corresponding to an abnormal bifurcation near the threshold ; at higher Rayleigh numbers, these hexagons transform into asymmetric two-dimensional rolls. The measured velocity field is in agreement with that expected from the breakdown in the symmetry properties of the water layer.

Résumé
Des mesures de vitesse locale effectuées dans une couche d'eau en convection au voisinage de 4 °C sont présentées. La répartition non linéaire de la densité de l'eau produit des effets convectifs qualitativement différents de ceux que l'on observe dans le cas des fluides répondant à l'approximation de Boussinesq. On trouve en particulier des structures convectives hexagonales près du seuil critique, structures qui apparaissent par une bifurcation anormale. Ces hexagones se transforment à plus haut nombre de Rayleigh en rouleaux dissymétriques, cette transformation étant réversible mais s'accompagnant d'une hystérésis importante. L'ensemble des comportements observés est cohérent avec la brisure de symétrie des propriétés de la couche.