表面張力是流體的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)熱物性。它在熱力工程、化學(xué)工程及很多工程應(yīng)用中均有重要意義。表面張力的研究方法有很多種，其中由于理論以及經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行的流體表面張力研究要么精度不高、要么使用范圍非常有限，所以可靠的數(shù)據(jù)還是來源于實(shí)驗(yàn)。近年來，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光檢測(cè)技術(shù)被越來越多地應(yīng)用到了測(cè)試領(lǐng)域。同樣，越來越多的科研工作者也開始嘗試將激光測(cè)試技術(shù)應(yīng)用到流體的熱物性測(cè)量領(lǐng)域。對(duì)于表面張力測(cè)量，激光散射的方法正在越來越多的吸引著國際研究者的注意，但在國內(nèi)卻一直沒有相關(guān)的研究報(bào)導(dǎo)。本文在這種情況下，在國內(nèi)首次系統(tǒng)的開展了激光散射法測(cè)量液體表面張力的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作，搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對(duì)一些清潔汽車替代燃料的表面張力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，本文也開展了部分流體表面張力推算的理論研究工作。

本文的工作主要包括以下幾個(gè)方面：

1.對(duì)激光散射測(cè)量液體表面張力的方法進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，詳細(xì)的分析了其物理模型以及實(shí)驗(yàn)中的影響因素，并搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，首次提出了用光楔作為實(shí)驗(yàn)中的分光元件，并根據(jù)光頻外差原理設(shè)計(jì)了一種新的光路系統(tǒng)，該系統(tǒng)增強(qiáng)了參考光與散射光的干涉，提高了待測(cè)光信號(hào)的強(qiáng)度，并使得本文與國際上其他研究者相比采用了較小功率的激光器(20mW)實(shí)現(xiàn)了測(cè)量研究工作。在信號(hào)處理中采用了信號(hào)平均技術(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)確定了最佳單次掃描時(shí)間為12ms，最佳平均次數(shù)為600次，單次測(cè)量時(shí)間約為7s。排除了容器尺寸對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，并最終確定容器直徑為106mm。利用水和乙醇對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了表面張力校核實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)誤差小于±2%，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與國際先進(jìn)水平相當(dāng)。

2.針對(duì)目前清潔汽車替代燃料研究的熱點(diǎn)問題，利用新研制的激光散射法測(cè)量液體表面張力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)柴油和二甲氧基甲烷(C_3H_8O_2)、柴油和碳酸二甲酯(C_3H_6O_3)、柴油和乙醇(C_2H_6O_2)、汽油和二甲氧基甲烷、汽油和碳酸二甲酯、汽油和乙醇混合物的表面張力進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差小于±2%。共獲得126個(gè)表面張力數(shù)據(jù)點(diǎn)，所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均未見有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。計(jì)算了混合物的過余表面張力，并把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合成了成分的函數(shù)，擬合的標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于0.097mN·m~(-1)。

3.利用汞線法對(duì)石英毛細(xì)管的內(nèi)徑進(jìn)行了仔細(xì)的標(biāo)定，在此基礎(chǔ)上，首次利用雙根毛細(xì)上升法對(duì)碳酸二甲酯飽和液體的表面張力進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度區(qū)間為282~371K，共獲得31個(gè)表面張力數(shù)據(jù)點(diǎn)。溫度測(cè)量不確定度小于±20mK(ITS-90)，表面張力測(cè)量不確定度小于±2%。利用兩種溫度函數(shù)對(duì)表面張力的數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，擬合的平均偏差分別為0.0776和0.0270mN·m~(-1)。

4.提出了一種新的用于估算非極性、弱極性流體純質(zhì)或其二元混合物表面張力的對(duì)比態(tài)模型，該模型基于兩參考流體并采用了一種新的對(duì)比參數(shù)計(jì)算方程，方程中共使用了四個(gè)參數(shù)：臨界溫度Tc、臨界比容Vc、臨界壓力Pc和偏心因子ω，其中偏心因子作為尺度參數(shù)，另外三個(gè)用于計(jì)算對(duì)比表面張力。該模型用于計(jì)算純質(zhì)的表面張力時(shí)，采用甲烷和正辛烷作為參考流體；用于計(jì)算二元混合物的表面張力時(shí)，采用純組分作為參考流體。利用69種純質(zhì)和20種二元混合物的985個(gè)表面張力數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行了檢驗(yàn)計(jì)算，其平均偏差分別為0.28mN·m~(-1)和0.20mN·m~(-1)。利用此模型所得的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，特別是該模型用于計(jì)算二元混合物的表面張力時(shí)，結(jié)果要明顯優(yōu)于文獻(xiàn)中的其他兩種對(duì)比態(tài)模型。另外，隨著過余表面張力增大，計(jì)算誤差也逐漸增大，當(dāng)過余表面張力小于3mN·m~(-1)時(shí)，利用本文方法得到的計(jì)算誤差小于0.5mN·m~(-1)。