二重拡散対流 — CAE用語解説

その通り。温度差と濃度差（溶質の濃度や塩分など）が同時に存在するとき、それぞれが密度場に影響を与えて対流を引き起こす現象だよ。普通の自然対流は温度差だけで起きるけど、海水のように塩分が溶けていると「温度は高いほど軽い」「塩分は多いほど重い」という二つの相反する効果が競合する。その結果、「塩指（salt finger）」と呼ばれる細長い対流セルが形成されたり、層状の密度段差が生じたりする——海洋物理では有名な現象だ。

起きる。原子炉の受動的冷却システムでは、硼酸水（濃度差）と温度差が共存する状況で二重拡散対流が発生することがある。溶融塩炉や液体金属冷却炉の設計でも考慮が必要だ。また半導体の結晶成長工程——CZ法でシリコン単結晶を引き上げるとき——では融液中のドーパント濃度と温度の二重拡散が結晶品質を左右する。CFD解析でこれを捉えるには、エネルギー方程式と濃度輸送方程式を密度モデルと連成させる必要がある。

難しい部類に入る。二重拡散対流は熱的不安定性と溶質不安定性が競合するので、流れのパターンが非常に複雑になり得る。無次元パラメータとして熱レイリー数Ra_T と溶質レイリー数Ra_S の比（密度比R_rho）が支配的で、この値によって流れが安定・不安定・振動的・層状など多様な挙動を示す。数値的には浮力モデルをBoussinesq近似で扱う場合が多いが、塩分と温度の拡散係数が一桁以上違う（Lewisスケールの問題）ため、格子解像度と時間ステップの選択に細心の注意が必要だ。

• 自然対流