氣膜厚度對反氣泡穩定性的影響

安驥 何隨龍 王鑫 陳磊 李根 鄭洪

摘要：為觀察氣膜厚度對反氣泡穩定性的影響，通過加熱反氣泡內外溶液來加熱氣膜內氣體從而改變氣膜厚度。實驗發現：在一定溫度范圍內，加熱反氣泡氣膜可以延長其穩定時間，但是當加熱反氣泡氣膜使其厚度超過其穩定存在的閾值時，反氣泡的穩定性會急劇下降甚至無法產生反氣泡;在一定溫度范圍內溫度對溶液表面張力影響很小，這使得文中實驗數據合理化。本文為反氣泡穩定性的理論研究提供實驗支持，并考慮到氣膜厚度為微米級，可為微米級氣膜傳熱提供實驗素材。

關鍵詞： 反氣泡; 氣膜厚度; 穩定時間; 氣膜傳熱

中圖分類號： TH138 ? ?文獻標志碼： 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

反氣泡是產生于液體中的由一層氣膜包裹液珠的特殊球形結構。目前反氣泡在船舶與海洋工程中有較多的應用價值，如可為水下聲學探測[1]、海底可燃氣體捕集[2]、水下氣體輸運的泄漏探測[3]等方面的實際工程應用打下基礎。

1932年HUGHES等[4]發現了反氣泡的存在，但是長時間沒有引起研究人員的重視。1938年，VON RIEDEL[5]指出反氣泡外圍包裹著氣膜，但未提出反氣泡的概念。2003年，DORBOLO等[6]在洗滌皂溶液中制備出了反氣泡，運用高速相機記錄了反氣泡的產生和破滅過程，根據反氣泡的穩定現象指出了“臨界壓力”的存在，此后國際上掀起了反氣泡研究的浪潮。對反氣泡穩定性機理的研究一直是反氣泡研究的重點和難點，目前所采取的主要研究方法是研究反氣泡破裂的動態過程。DORBOLO等[7]通過觀察反氣泡的破裂過程提出，反氣泡內泡的重力使得其氣膜的上下兩端存在壓差，反氣泡底端氣膜逐漸變薄，最終反氣泡在范德華力的作用下破滅的理論;DORBOLO等[8]提出“驅氣理論”解釋反氣泡的穩定性， 并且提出反氣泡的壽命不依賴于其半徑大小的結論。KIM等[9]量化分析了反氣泡形成條件并證實其氣膜厚度為微米級別。ZOU等[10]揭示了反氣泡破滅過程的影響因素。SCHEID等[11]研究了溶液溶解空氣飽和度對反氣泡穩定性的影響，發現溶液溶解空氣越多，氣膜越穩定，反氣泡穩定時間越長。王位等[12-14]發現：活性溶液黏性越大，反氣泡穩定時間越長，并用實驗驗證了反氣泡的壽命與半徑大小無關;電解質溶液體積分數越大反氣泡的穩定時間越長;外界壓力越大反氣泡穩定時間越短。安驥等[15]研究了內核帶有電解質的反氣泡，發現這種反氣泡穩定時間比內核不帶電解質的反氣泡穩定時間短，原因是內核帶電解質的反氣泡承受更大的壓降。BEILHARZ等[16]首創采用高黏度液體滴入低黏度液體制備反氣泡的方法，但是這種反氣泡極難穩定存在，穩定時間不超過0.1 s。JOHANSEN等[17]構建了拉格朗日形式下反氣泡的動能-勢能模型，從能量角度研究了反氣泡的穩定性。

上述針對反氣泡穩定性的研究得到的各種結論并未被學界廣泛接受。目前大家可以肯定的是，反氣泡的穩定性與反氣泡的氣膜厚度有密切關系。反氣泡實物圖如圖1所示，由于光的衍射和折射，反氣泡的氣膜外觀明亮如鏡。從圖1看到的氣膜厚度與各種實驗測量的結果相差甚遠，這種現象說明對反氣泡氣膜厚度的精確測量本身就是很重要的實驗研究。BAIRD[18]經過實驗和論證得出反氣泡氣膜厚度在300 nm左右。然而，到目前為止還未出現特別令人滿意的、能準確測量氣膜厚度的方法，尤其是氣膜厚度的動態測量方法[9]。氣膜內部氣體的流動變化更是研究的難點，當克努森數>10時，氣體流動不屬于連續介質范疇，應當使用玻爾茲曼方程解釋，因此只有較為準確地測量了氣膜厚度，尤其是氣膜厚度的動態變化情況，才能為各種反氣泡理論提供實驗支持。

本文嘗試從實驗角度觀察溫度對反氣泡的影響，通過加熱反氣泡內溶液和外溶液，使氣膜內的氣體受熱膨脹，從而使氣膜厚度發生改變，觀察記錄這種反氣泡的穩定時間，為反氣泡穩定性理論提供新的實驗思路和方法。文獻[11]是通過控制液體在空氣中的溶解量改變氣膜厚度的，這種方法的缺陷是氣體溶解于液體比較慢且只能使氣膜變薄，采用本文的方法可明顯看到氣膜的動態變化對反氣泡穩定性的影響，從而找到提高反氣泡穩定性的方法。

1 實驗概述

實驗中采用商用洗潔精作為表面活性劑，溶劑為純凈水，配制成的實驗溶液體積分數為1%，實驗室溫度為12 ℃。采用射流法產生反氣泡，用普通相機連拍（每秒120幀）功能拍攝反氣泡的產生過程，按時間先后順序選取的反氣泡產生過程的部分照片見圖2。

共進行兩種不同類型的實驗：（1）實驗研究一定溫度范圍內溫度與表面張力的關系;（2）通過加熱滴入液或者外部溶液來加熱反氣泡氣膜內的空氣，從而改變氣膜厚度，以觀察氣膜厚度對其穩定性的影響。

為保證實驗過程中高溫相溫度不變，本實驗采用數顯恒溫水浴鍋加熱高溫相液體。該數顯恒溫水浴鍋水槽尺寸為18 cm×18 cm×18 cm，其溫控誤差不超過±1 ℃，可以實現0～100 ℃范圍內的恒溫加熱及定溫保溫工作。

2 溫度與表面張力的實驗研究

毛細上升法[19]是測量表面張力最基礎、最準確的方法。這種測量對外界的各種條件變化比較敏感，且測量操作比較復雜，對操作者的要求較高，僅用于實驗室小規模的測量。

本實驗采用毛細上升法測量不同溶液的表面張力。毛細管內徑分別為0.4 mm和0.5 mm。從溶液的初始溫度11.6 ℃開始測量，第二個測量點取15 ℃，之后每隔5 ℃取一個測量點，每個測量點測量5個Δh值。計算同一溫度下溶液表面張力的平均值，得到溶液的表面張力與溫度的關系，見圖3。

溫度的關系 ?由圖3可以發現，隨著溫度的升高，溶液表面張力雖有較為明顯的波動，但是表面張力對溫度的變化不敏感。因此可以認為，在本實驗條件下不同溫度溶液的表面張力對反氣泡穩定性的影響可以忽略不計。

3 氣膜厚度對反氣泡穩定性的影響實驗 ?為研究反氣泡氣膜厚度對反氣泡穩定性的影響，制備4種反氣泡：（1）反氣泡內溶液加熱氣膜、外溶液保持室溫;（2）反氣泡內溶液保持室溫、外溶液加熱氣膜;（3）反氣泡內溶液與外溶液同時加熱氣膜;（4）反氣泡內、外溶液都保持室溫（12 ℃）。

3.1 反氣泡內溶液加熱氣膜、外溶液保持室溫

將部分溶液加入燒杯中并將燒杯放在恒溫浴鍋中分15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃等幾個等級加熱。因為手工制備反氣泡時，液體一般都是一次噴出去，很難中間停止噴射或控制噴射量，為避免有多余溶液滴落至液面造成影響，每次用洗耳球吸取的溶液量僅用于制備一個反氣泡。盡量保證反氣泡內液珠溫度與預設值保持一致，在保持室溫的溶液中用射流法產生反氣泡，用紅外溫度計監測溶液滴落在液面上時的溫度。為避免熱輻射造成熱量散失，需使恒溫浴鍋的加熱溫度高于液滴預設溫度2 ℃，并用熱成像儀監控整個過程，從而保證實驗數據的準確性。

圖4為溶液滴落時刻的熱成像圖，拍攝時鏡頭方向為豎直向下。圖4中反氣泡右下角的柄狀凸起為反氣泡形成初期滴管口余液。圖4表明，滴落的溶液或者所制備的反氣泡的內液面存在余熱。這會影響實驗結果的精確度，因此每制備一個反氣泡后要等待10 min再制備下一個反氣泡。

時間與溫度的關系 ?當反氣泡內溶液由內向外單向加熱氣膜時，反氣泡穩定時間與其內溶液溫度的關系見圖5。由圖5的整體趨勢可以看出：隨著反氣泡內溶液溫度的不斷升高，反氣泡的穩定時間逐漸減少，且其內溶液溫度在15～20 ℃范圍內時，反氣泡的穩定時間下降較快;當內溶液溫度在20～55 ℃范圍內時，反氣泡穩定時間基本保持不變;當反氣泡內溶液的溫度高于60 ℃時，反氣泡無法生成。

3.2 反氣泡內溶液保持室溫、外溶液加熱氣膜

將配置好的溶液倒入恒溫水浴鍋中，并分15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃等幾個等級加熱，直接在恒溫水浴鍋中制備反氣泡，每個溫度點測量20個數據。

時間與溶液溫度的關系 ?當反氣泡外溶液由外向內單向加熱氣膜時，反氣泡穩定時間與外溶液溫度的關系見圖6。從圖6可以看出：當反氣泡外溶液溫度在15～40 ℃范圍內時，反氣泡的穩定時間隨溫度的提高有所增加;當反氣泡外溶液溫度在40～45 ℃時，由于氣膜受熱膨脹后的厚度超出了能使反氣泡穩定存在的氣膜厚度閾值，反氣泡的穩定時間急劇下降;當溶液溫度高于45 ℃時，無法制備反氣泡，這可能是因為反氣泡內溶液的溫度只有12 ℃，在氣液界面之間的水蒸氣膜遇冷凝結成液滴瞬間破壞掉氣膜，破壞了反氣泡生成的先決條件。

時間與溫度的關系3.3 反氣泡內溶液與外溶液同時加熱氣膜 ?直接利用浴鍋中溶液在浴鍋中制備反氣泡，每個溫度點測量20個數據，求取反氣泡平均壽命。內外雙向加熱反氣泡氣膜，反氣泡的穩定時間與溶液溫度的關系見圖7。從平均穩定時間的總體變化趨勢可以看出：隨著反氣泡內外溫度的升高，反氣泡穩定時間呈現明顯下降趨勢，且當溫度大于35 ℃時，穩定時間減少得更快;當溶液溫度高于60 ℃時，無法制備反氣泡。

由圖7可知，該實驗條件下反氣泡的最長穩定時間變化趨勢、最短穩定時間變化趨勢與平均穩定時間的變化趨勢一致。從最短穩定時間的變化趨勢可以看出，當溫度高于45 ℃時反氣泡的制備成功率大大降低。這是因為溫度高于45 ℃時，水蒸氣的蒸發速度加快且氣液界面空氣逃逸速度加快，當液滴滴落在氣液界面上時，無法形成承接液滴的氣膜，從而導致反氣泡生成概率減小。

3.4 反氣泡內、外溶液都保持室溫

在環境溫度（12 ℃）下配制體積分數為1%的溶液，制備50個反氣泡并記錄其穩定時間，實驗數據見圖8。由圖8可以看出，在該條件下反氣泡的穩定時間大致穩定在一個范圍內，其平均穩定時間為52.52 s。

4 實驗數據分析

穩定時間對比 ?整理歸納4組實驗得到反氣泡平均穩定時間數據，見圖9（圖中，無加熱平均穩定時間曲線與橫坐標溫度無關，僅作為對比）。以環境溫度下無加熱的平均穩定時間為參照可以分析得出，在一定濃度的表面活性劑溶液中，在溫度控制下的氣膜厚度變化對反氣泡穩定性的影響如下：

（1）在一定溫度范圍內，反氣泡氣膜厚度受熱增加可以延長反氣泡穩定時間。

（2）在通過加熱反氣泡氣膜延長其穩定時間的方式中，內外同時加熱效果最好，由外向內加熱次之，由內向外加熱效果最差。

（3）當液體溫度大于一定值時（本實驗條件下為45 ℃），反氣泡氣膜厚度超過能使其穩定存在的厚度閾值（300 nm左右），反氣泡的穩定性會急劇下降甚至瞬間破滅。

5 結 論

本文通過加熱反氣泡氣膜使其厚度增加，進而改變反氣泡的穩定性。從實驗觀察到的結論可以推出，氣膜厚度在反氣泡存在的時間里是不斷變化的。文獻[11]的方法使得氣膜變薄，而本文的加熱實驗使氣膜膨脹，從而延長了反氣泡的穩定時間，說明反氣泡氣膜的自然變化趨勢是某個位置逐漸變薄。盡管本文的實驗沒有像文獻[11]那樣建立液體溫度與反氣泡氣膜厚度之間的穩定和相對唯一的關系，但是可以得出一個定性結論，即通過加熱氣膜使氣膜膨脹可以延緩氣膜某個位置的變薄過程，并且在一定溫度范圍內加熱效果越好反氣泡穩定性就越好。

由本文實驗可知，氣膜厚度是有一個上限值的，如果加熱速度過快，反氣泡局部的厚度超過上限值，則其穩定性會遭到破壞。受實驗條件的限制，本文未能對反氣泡氣膜厚度動態變化過程做動態測量，因此還未能測量使反氣泡穩定的氣膜厚度閾值。參考文獻：

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（編輯 賈裙平）