气膜厚度对反气泡稳定性的影响

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　　摘要：为观察气膜厚度对反气泡稳定性的影响，通过加热反气泡内外溶液来加热气膜内气体从而改变气膜厚度。实验发现：在一定温度范围内，加热反气泡气膜可以延长其稳定时间，但是当加热反气泡气膜使其厚度超过其稳定存在的阈值时，反气泡的稳定性会急剧下降甚至无法产生反气泡;在一定温度范围内温度对溶液表面张力影响很小，这使得文中实验数据合理化。本文为反气泡稳定性的理论研究提供实验支持，并考虑到气膜厚度为微米级，可为微米级气膜传热提供实验素材。
　　关键词： 反气泡; 气膜厚度; 稳定时间; 气膜传热
　　中图分类号： TH138    文献标志码： A
　　Abstract： In order to observe the influence of the thickness of the gas film on the antibubble stability， the gas inside the gas film is heated by heating the liquid inside and outside the antibubbles to change the gas film thickness. It is found that： heating the antibubble film can prolong its stability time in a certain temperature range， but when the thickness of the heated antibubble film exceeds the threshold of its stability， the stability of the antibubbles drops sharply， or even antibubbles cannot be generated; the temperature has little effect on the liquid surface tension in a certain temperature range， which makes the experimental data reasonable. This study can provide experimental support for the theoretical study of antibubble stability. For the thickness of the gas film of the antibubble is in micron grade， it can provide experimental material for the heat transfer of the micron grade gas film.
　　Key words： antibubble; thickness of gas film; lifetime; gas film heat transfer
　　 反气泡是产生于液体中的由一层气膜包裹液珠的特殊球形结构。目前反气泡在船舶与海洋工程中有较多的应用价值，如可为水下声学探测[1]、海底可燃气体捕集[2]、水下气体输运的泄漏探测[3]等方面的实际工程应用打下基础。
　　1932年HUGHES等[4]发现了反气泡的存在，但是长时间没有引起研究人员的重视。1938年，VON RIEDEL[5]指出反气泡外围包裹着气膜，但未提出反气泡的概念。2003年，DORBOLO等[6]在洗涤皂溶液中制备出了反气泡，运用高速相机记录了反气泡的产生和破灭过程，根据反气泡的稳定现象指出了“临界压力”的存在，此后国际上掀起了反气泡研究的浪潮。对反气泡稳定性机理的研究一直是反气泡研究的重点和难点，目前所采取的主要研究方法是研究反气泡破裂的动态过程。DORBOLO等[7]通过观察反气泡的破裂过程提出，反气泡内泡的重力使得其气膜的上下两端存在压差，反气泡底端气膜逐渐变薄，最终反气泡在范德华力的作用下破灭的理论;DORBOLO等[8]提出“驱气理论”解释反气泡的稳定性， 并且提出反气泡的寿命不依赖于其半径大小的结论。KIM等[9]量化分析了反气泡形成条件并证实其气膜厚度为微米级别。ZOU等[10]揭示了反气泡破灭过程的影响因素。SCHEID等[11]研究了溶液溶解空气饱和度对反气泡稳定性的影响，发现溶液溶解空气越多，气膜越稳定，反气泡稳定时间越长。王位等[12-14]发现：活性溶液黏性越大，反气泡稳定时间越长，并用实验验证了反气泡的寿命与半径大小无关;电解质溶液体积分数越大反气泡的稳定时间越长;外界压力越大反气泡稳定时间越短。安骥等[15]研究了内核带有电解质的反气泡，发现这种反气泡稳定时间比内核不带电解质的反气泡稳定时间短，原因是内核带电解质的反气泡承受更大的压降。BEILHARZ等[16]首创采用高黏度液体滴入低黏度液体制备反气泡的方法，但是这种反气泡极难稳定存在，稳定时间不超过0.1 s。JOHANSEN等[17]构建了拉格朗日形式下反气泡的动能-势能模型，从能量角度研究了反气泡的稳定性。
　　上述针对反气泡稳定性的研究得到的各种结论并未被学界广泛接受。目前大家可以肯定的是，反气泡的稳定性与反气泡的气膜厚度有密切关系。反气泡实物图如图1所示，由于光的衍射和折射，反气泡的气膜外观明亮如镜。从图1看到的气膜厚度与各种实验测量的结果相差甚远，这种现象说明对反气泡气膜厚度的精确测量本身就是很重要的实验研究。BAIRD[18]经过实验和论证得出反气泡气膜厚度在300 nm左右。然而，到目前为止还未出现特别令人满意的、能准确测量气膜厚度的方法，尤其是气膜厚度的动态测量方法[9]。气膜内部气体的流动变化更是研究的难点，当克努森数>10时，气体流动不属于连续介质范畴，应当使用玻尔兹曼方程解释，因此只有较为准确地测量了气膜厚度，尤其是氣膜厚度的动态变化情况，才能为各种反气泡理论提供实验支持。 　　 本文尝试从实验角度观察温度对反气泡的影响，通过加热反气泡内溶液和外溶液，使气膜内的气体受热膨胀，从而使气膜厚度发生改变，观察记录这种反气泡的稳定时间，为反气泡稳定性理论提供新的实验思路和方法。文献[11]是通过控制液体在空气中的溶解量改变气膜厚度的，这种方法的缺陷是气体溶解于液体比较慢且只能使气膜变薄，采用本文的方法可明显看到气膜的动态变化对反气泡稳定性的影响，从而找到提高反气泡稳定性的方法。
　　1 实验概述
　　实验中采用商用洗洁精作为表面活性剂，溶剂为纯净水，配制成的实验溶液体积分数为1%，实验室温度为12 ℃。采用射流法产生反气泡，用普通相机连拍（每秒120帧）功能拍摄反气泡的产生过程，按时间先后顺序选取的反气泡产生過程的部分照片见图2。
　　 共进行两种不同类型的实验：（1）实验研究一定温度范围内温度与表面张力的关系;（2）通过加热滴入液或者外部溶液来加热反气泡气膜内的空气，从而改变气膜厚度，以观察气膜厚度对其稳定性的影响。
　　 为保证实验过程中高温相温度不变，本实验采用数显恒温水浴锅加热高温相液体。该数显恒温水浴锅水槽尺寸为18 cm×18 cm×18 cm，其温控误差不超过±1 ℃，可以实现0～100 ℃范围内的恒温加热及定温保温工作。
　　2 温度与表面张力的实验研究
　　毛细上升法[19]是测量表面张力最基础、最准确的方法。这种测量对外界的各种条件变化比较敏感，且测量操作比较复杂，对操作者的要求较高，仅用于实验室小规模的测量。
　　本实验采用毛细上升法测量不同溶液的表面张力。毛细管内径分别为0.4 mm和0.5 mm。从溶液的初始温度11.6 ℃开始测量，第二个测量点取15 ℃，之后每隔5 ℃取一个测量点，每个测量点测量5个Δh值。计算同一温度下溶液表面张力的平均值，得到溶液的表面张力与温度的关系，见图3。
　　温度的关系  由图3可以发现，随着温度的升高，溶液表面张力虽有较为明显的波动，但是表面张力对温度的变化不敏感。因此可以认为，在本实验条件下不同温度溶液的表面张力对反气泡稳定性的影响可以忽略不计。
　　3 气膜厚度对反气泡稳定性的影响实验  为研究反气泡气膜厚度对反气泡稳定性的影响，制备4种反气泡：（1）反气泡内溶液加热气膜、外溶液保持室温;（2）反气泡内溶液保持室温、外溶液加热气膜;（3）反气泡内溶液与外溶液同时加热气膜;（4）反气泡内、外溶液都保持室温（12 ℃）。
　　3.1 反气泡内溶液加热气膜、外溶液保持室温
　　将部分溶液加入烧杯中并将烧杯放在恒温浴锅中分15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃等几个等级加热。因为手工制备反气泡时，液体一般都是一次喷出去，很难中间停止喷射或控制喷射量，为避免有多余溶液滴落至液面造成影响，每次用洗耳球吸取的溶液量仅用于制备一个反气泡。尽量保证反气泡内液珠温度与预设值保持一致，在保持室温的溶液中用射流法产生反气泡，用红外温度计监测溶液滴落在液面上时的温度。为避免热辐射造成热量散失，需使恒温浴锅的加热温度高于液滴预设温度2 ℃，并用热成像仪监控整个过程，从而保证实验数据的准确性。
　　图4为溶液滴落时刻的热成像图，拍摄时镜头方向为竖直向下。图4中反气泡右下角的柄状凸起为反气泡形成初期滴管口余液。图4表明，滴落的溶液或者所制备的反气泡的内液面存在余热。这会影响实验结果的精确度，因此每制备一个反气泡后要等待10 min再制备下一个反气泡。
　　时间与温度的关系  当反气泡内溶液由内向外单向加热气膜时，反气泡稳定时间与其内溶液温度的关系见图5。由图5的整体趋势可以看出：随着反气泡内溶液温度的不断升高，反气泡的稳定时间逐渐减少，且其内溶液温度在15～20 ℃范围内时，反气泡的稳定时间下降较快;当内溶液温度在20～55 ℃范围内时，反气泡稳定时间基本保持不变;当反气泡内溶液的温度高于60 ℃时，反气泡无法生成。
　　3.2 反气泡内溶液保持室温、外溶液加热气膜
　　将配置好的溶液倒入恒温水浴锅中，并分15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃等几个等级加热，直接在恒温水浴锅中制备反气泡，每个温度点测量20个数据。
　　时间与溶液温度的关系  当反气泡外溶液由外向内单向加热气膜时，反气泡稳定时间与外溶液温度的关系见图6。从图6可以看出：当反气泡外溶液温度在15～40 ℃范围内时，反气泡的稳定时间随温度的提高有所增加;当反气泡外溶液温度在40～45 ℃时，由于气膜受热膨胀后的厚度超出了能使反气泡稳定存在的气膜厚度阈值，反气泡的稳定时间急剧下降;当溶液温度高于45 ℃时，无法制备反气泡，这可能是因为反气泡内溶液的温度只有12 ℃，在气液界面之间的水蒸气膜遇冷凝结成液滴瞬间破坏掉气膜，破坏了反气泡生成的先决条件。
　　时间与温度的关系3.3 反气泡内溶液与外溶液同时加热气膜  直接利用浴锅中溶液在浴锅中制备反气泡，每个温度点测量20个数据，求取反气泡平均寿命。内外双向加热反气泡气膜，反气泡的稳定时间与溶液温度的关系见图7。从平均稳定时间的总体变化趋势可以看出：随着反气泡内外温度的升高，反气泡稳定时间呈现明显下降趋势，且当温度大于35 ℃时，稳定时间减少得更快;当溶液温度高于60 ℃时，无法制备反气泡。
　　 由图7可知，该实验条件下反气泡的最长稳定时间变化趋势、最短稳定时间变化趋势与平均稳定时间的变化趋势一致。从最短稳定时间的变化趋势可以看出，当温度高于45 ℃时反气泡的制备成功率大大降低。这是因为温度高于45 ℃时，水蒸气的蒸发速度加快且气液界面空气逃逸速度加快，当液滴滴落在气液界面上时，无法形成承接液滴的气膜，从而导致反气泡生成概率减小。 　　3.4 反气泡内、外溶液都保持室温
　　在环境温度（12 ℃）下配制体积分数为1%的溶液，制备50个反气泡并记录其稳定时间，实验数据见图8。由图8可以看出，在该条件下反气泡的稳定时间大致稳定在一个范围内，其平均稳定时间为52.52 s。
　　4 实验数据分析
　　稳定时间对比  整理归纳4组实验得到反气泡平均稳定时间数据，见图9（图中，无加热平均稳定时间曲线与横坐标温度无关，仅作为对比）。以环境温度下无加热的平均稳定时间为参照可以分析得出，在一定浓度的表面活性剂溶液中，在温度控制下的气膜厚度变化对反气泡稳定性的影响如下：
　　（1）在一定温度范围内，反气泡气膜厚度受热增加可以延长反气泡稳定时间。
　　（2）在通过加热反气泡气膜延长其稳定时间的方式中，内外同时加热效果最好，由外向内加热次之，由内向外加热效果最差。
　　（3）当液体温度大于一定值时（本实验条件下为45 ℃），反气泡气膜厚度超过能使其稳定存在的厚度阈值（300 nm左右），反气泡的稳定性会急剧下降甚至瞬间破灭。
　　5 结 论
　　本文通过加热反气泡气膜使其厚度增加，进而改变反气泡的稳定性。从实验观察到的结论可以推出，气膜厚度在反气泡存在的时间里是不断变化的。文献[11]的方法使得气膜变薄，而本文的加热实验使气膜膨胀，从而延长了反气泡的稳定时间，说明反气泡气膜的自然变化趋势是某个位置逐渐变薄。尽管本文的实验没有像文献[11]那样建立液体温度与反气泡气膜厚度之间的稳定和相对唯一的关系，但是可以得出一个定性结论，即通过加热气膜使气膜膨胀可以延缓气膜某个位置的变薄过程，并且在一定温度范围内加热效果越好反气泡稳定性就越好。
　　由本文实验可知，气膜厚度是有一个上限值的，如果加热速度过快，反气泡局部的厚度超过上限值，则其稳定性会遭到破坏。受实验条件的限制，本文未能对反气泡气膜厚度动态变化过程做动态测量，因此还未能测量使反气泡稳定的气膜厚度阈值。参考文献：
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　　（编辑 贾裙平）
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