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平面流動皂膜表面張力系數(shù)、厚度和流動速度實驗裝置及測量方法(二)

來源:實驗流體力學(xué) 瀏覽 375 次 發(fā)布時間:2025-04-23

2皂膜表面張力系數(shù)測量


由于皂膜厚度很小,其表面張力系數(shù)不能簡單采用對半無限深液體表面張力系數(shù)分析的結(jié)果。Sane等通過皂膜的力平衡分析得到一種測量皂膜表面張力系數(shù)的簡便方法,但在推導(dǎo)中多處采用了近似方法。本文給出一個嚴(yán)格推導(dǎo),得出確切結(jié)論,并通過后文介紹的平面流動皂膜測量結(jié)果對該結(jié)論進(jìn)行檢驗,證明推導(dǎo)的正確性;在此基礎(chǔ)上,計算皂膜的表面張力系數(shù)。


如圖1(a)所示,尼龍繩BE和CD下方懸掛質(zhì)量為m的砝碼以施加張力、保持流道穩(wěn)定。當(dāng)沒有皂液流動時,尼龍線BE和CD在砝碼作用下保持鉛直;當(dāng)皂液流入流道形成皂膜,尼龍繩BE和CD在皂膜表面張力的作用下向皂膜側(cè)略微收縮,形成微微內(nèi)凹的流道(圖中對內(nèi)凹程度有所放大)。從力平衡的角度出發(fā),推導(dǎo)出該內(nèi)凹曲線的形狀與皂膜表面張力系數(shù)的關(guān)系,可以給出一種測量流動皂膜表面張力系數(shù)的方法。


選取尼龍繩BE的中點O為坐標(biāo)系原點,x軸為重力方向。設(shè)A為尼龍繩OB段上任一點,坐標(biāo)為(xA,yA),對尼龍繩段OA進(jìn)行受力分析。簡單的受力大小估計表明:當(dāng)皂膜流向方向的尺寸在1 m量級、砝碼自重在1 kg量級時,尼龍繩自重、流動皂膜對尼龍繩的動壓力、黏性力等都至多為尼龍繩張力的1/104,在后續(xù)分析中忽略它們對尼龍繩力平衡的影響。因此,尼龍繩受到點O、點A的拉力FO、FA以及尼龍繩上各微元段ds=dx/cosθ(x)的表面張力,其中,θ(x)表示尼龍繩上一點x處切向方向與重力方向的夾角。由于對稱性,在中點O處θ(0)=0。因此,尼龍繩段OA在水平和豎直方向的受力平衡關(guān)系式分別為:


在推導(dǎo)式(1)和(2)時,假設(shè)皂膜邊界上的表面張力系數(shù)γ不隨位置而變化(對于充分發(fā)展達(dá)到穩(wěn)定流動的皂膜,此假設(shè)是合理的);式中的系數(shù)“2”是考慮到皂膜前后表面都會對尼龍繩產(chǎn)生表面張力。


將式(1)和(2)相除,并注意到點A的任意性,可以得到描述流道內(nèi)凹形狀的曲線方程:

對式(3)積分,并結(jié)合邊界條件y(x=0)=0,得到曲線方程如下:

式(4)中包含未知參數(shù)FO(即尼龍繩中點O處的拉力),其值可以通過將式(2)應(yīng)用于B點,并代入B點處尼龍繩的力平衡關(guān)系FBcosθ(xB)=mg/2得到:

式中,L為BE段尼龍繩長度,推導(dǎo)式(5)時使用了xB=L/2。式(4)可稍加整理為:

其中,參數(shù)2γL/FO的值為:

式(6)和(7)即為邊界曲線形狀的準(zhǔn)確方程。在推導(dǎo)方程的過程中,除物理上的簡單假設(shè)(如忽略尼龍繩自重)外,未作任何數(shù)學(xué)上的近似。


與懸掛物(砝碼)的重力相比,表面張力通常很小。例如,當(dāng)L=1 m、m=1 kg時,取純水的表面張力系數(shù)γ=72 mN/m,得到2γL/(mg)≈1.5×10-2,代入式(7)得到2γL/FO≈3.0×10-2。記ε=2γL/FO,ε′=2γL/(mg),則ε和ε′為同階遠(yuǎn)小于1的小量。因此,對式(6)關(guān)于ε進(jìn)行小參數(shù)展開可得:

式(8)表明:流道邊界曲線方程可以很好地用拋物線來近似(因為下一階修正項為ε3項),并且給出了確切的系數(shù),可以據(jù)此測出皂膜的表面張力系數(shù)。在實際應(yīng)用中,可以利用ε′?1對其進(jìn)一步簡化得到:


為驗證曲線方程(10),在砝碼質(zhì)量m=0.2 kg、皂液流量Q=35 mL/min時,實測了穩(wěn)態(tài)流動皂膜狀態(tài)下尼龍繩的位置坐標(biāo),如圖2中的離散點所示。尼龍繩位置通過照相得到,為獲得較大范圍內(nèi)的圖像,采用的放大倍數(shù)為1個像素對應(yīng)0.35 mm的物理尺寸。對尼龍繩圖像在水平方向的光強(qiáng)分布進(jìn)行高斯函數(shù)擬合以獲得亞像素的定位精度。圖2中的光滑曲線是采用式(10)進(jìn)行擬合的結(jié)果,與實測曲線吻合良好,驗證了分析的正確性。利用已知的砝碼質(zhì)量,可以進(jìn)一步得到表面張力系數(shù)γ=27.5 mN/m。值得注意的是:當(dāng)砝碼質(zhì)量很小時,表面張力引起的流道收縮很大(在中點O處達(dá)到最大值12%),為避免由此帶來的流速和厚度場改變,在流動皂膜實驗中一般使用m=2 kg的砝碼。

圖2流道邊界實測值(紅色點)與理論分析(藍(lán)色線)對比


Sane等推導(dǎo)了表面張力系數(shù)與尼龍繩曲線方程的關(guān)系,但并未獲得曲線方程的精確解,而是采用高階多項式對實測曲線進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)選取二階多項式可以得到較好的結(jié)果,從而也獲得了式(10),并通過擬合系數(shù)得到了表面張力系數(shù)。本文的嚴(yán)格推導(dǎo)說明:流道邊界曲線是拋物線加上高兩階小量的修正。圖(2)也證明了這一推導(dǎo)結(jié)論的正確性。


采用測量邊界曲線形狀的方式來獲得表面張力系數(shù),在實驗上存在一處困難:通常邊界曲線曲率較小,為測出其具體形狀必須拍攝較大范圍;對于幅面大小一定的相機(jī),這意味著空間分辨率的降低,給準(zhǔn)確確定邊界曲線帶來了一定困難。因此,本文提出一種新的、更簡便易行的表面張力系數(shù)測量方法。


根據(jù)式(10),可以給出流道中點O在有皂膜流動時相對于無皂膜流動時(即尼龍繩為豎直狀態(tài)時)的位移:

因此,通過測量給定砝碼質(zhì)量下流道中點O的位移,就可以很方便地使用式(11)得到皂膜的表面張力系數(shù)。此方法的一個優(yōu)點是:無需拍攝大范圍的尼龍繩圖像,照相時可以采用較大的放大倍數(shù),獲得較高的空間分辨率。在實際應(yīng)用時,本文采用了每像素對應(yīng)0.01 mm物理尺寸的分辨率。根據(jù)式(11),γ≈2mgyO/L2,砝碼質(zhì)量m=(500±1)g和尼龍繩長度L=(500±1)mm的測量都可以控制在0.2%的測量偏差范圍內(nèi)。當(dāng)yO=(1±0.01)mm的測量偏差范圍降低至1%,實現(xiàn)了僅有2%左右不確定度的表面張力系數(shù)測量。


圖3給出了在同一皂液流量Q=35 mL/min下測得的流道中點O的位移隨砝碼質(zhì)量的變化以及根據(jù)式(11)擬合的直線。所有數(shù)據(jù)點都很好地落在過原點的擬合直線上,進(jìn)一步驗證了本文推導(dǎo)的正確性。根據(jù)直線斜率測得的表面張力系數(shù)γ=27.1 mN/m,與前述拋物線擬合法得到的結(jié)果相近。

圖3流道中點O在有/無皂膜流動時的位移量隨砝碼質(zhì)量的變化


利用這一方法,還測量了表面張力系數(shù)隨皂液流量的變化關(guān)系,如圖4所示。圖中曲線并非如部分文獻(xiàn)報道的“表面張力系數(shù)隨皂液流量增加而單調(diào)下降”,這可能是由于表面張力系數(shù)隨皂膜厚度變化而有所變化、且實驗中皂膜厚度并非均勻分布導(dǎo)致的。

圖4表面張力系數(shù)隨皂液流量的變化


3、結(jié)論


本文搭建了一個重力驅(qū)動的平面流動皂膜實驗裝置,能夠得到皂液流量Q=5~60 mL/min、平均速度u=1~4 m/s、平均厚度h=3~9μm的穩(wěn)定豎直流動的皂膜。為測量皂膜的表面張力系數(shù),基于皂膜邊界上的力平衡方程推導(dǎo)得到流動皂膜邊界曲線方程的精確解。實驗結(jié)果驗證了本文推導(dǎo),并由此得出表面張力系數(shù)的兩種測量方法。此外,還提出了一種基于光學(xué)干涉的皂膜厚度測量方法。將該方法與皂膜流動速度剖面測量相結(jié)合,可以給出皂膜的厚度剖面。本文中提出的皂膜表面張力系數(shù)及厚度的測量方法簡便易行,可以較為全面地測量平面流動皂膜并評估其特性(如擾動波在皂膜中的傳播速度)。

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