Рассмотрен принцип формирования конвективных структур в слое вязкой, несжимаемой жидкости при равномерном подогреве снизу. Предложен и обоснован энергетический принцип использования элементарной конвективной ячейки цилиндрической формы. Приведена математическая модель теплофизических процессов в ячейке со свободными границами и получены аналитические решения для возмущений скорости и температуры. Определены радиальные волновые числа для возмущений скорости и собственные числа задачи. Показано, что спектр собственных чисел является дискретным и по моде возмущений, и по радиальному волновому числу. Получено выражение для радиуса элементарной конвективной ячейки, исходя из которого видно, что величина радиуса может принимать дискретные значения, которые соответствуют устойчивым конвективным состояниям. Показано, что максимальный теплоперенос происходит при наименьшем из возможных значений радиуса. Проведены экспериментальные исследования формирования конвективных ячеек, которые подтверждают правильность полученных теоретических результатов. Ключевые слова: элементарная конвективная ячейка; свободные границы; конвективные процессы; теплоперенос; температурный градиент
