实验验证肥皂膜与肥皂泡的两个物理特性

为了验证对称双漏斗肥皂膜实验在肥皂膜腰部半径自动变细之前的整个过程中肥皂膜的形状始终满足最小表面能原理,采用了四对半径不同的漏斗分别进行验证,利用FastStone Capture[1]软件对每种情况下的腰部半径随漏斗间距变化关系进行测量。通过拟合理论曲线与构建四种情况下分别对应的离散点,从而验证了这样一个结论：肥皂膜的形状在稳定区以内均满足最小表面能原理。此外,为了验证大小肥皂泡连通前后的半径关系,使用简易三通管,并使用FastStone Capture软件,测量了五次独立重复实验的数据。最后得到与理论计算相比较低误差的实验结果,从而验证了大小肥皂泡连通前后满足体积相加性。     

肥皂泡破裂现象及产生小液滴分布研究

肥皂泡破裂产生液滴的大小和数目受破裂过程影响.本文研究了肥皂泡大小和高度对破裂产生液滴的影响,以及所产生液滴的分布规律.实验发现肥皂泡破裂产生的液滴在破裂高度较低时存在放射性线状分布现象;随着高度增加放射性线状分布消失;同时分析了肥皂泡破裂产生液滴的数目及肥皂膜的厚度随肥皂泡体积的变化规律.结果表明,肥皂泡体积和液滴数目之间存在幂函数关系,理想情况下肥皂膜厚度与碎片数目之间也存在幂函数关系.肥皂泡破裂过程中产生的液滴可以按照拟合结果大致分为小碎片,中等碎片和大碎片,它们分别对应于肥皂泡破裂过程的3个变化阶段.     

旋转肥皂泡热对流能量耗散与边界层特性的数值模拟

将底部加热的半个肥皂泡作为一个新的热对流模型,结合了肥皂泡固有的球面与准二维特征,由此有助于理解行星大气流动中的复杂物理机制与热对流特性.本文使用直接数值模拟方法计算了旋转肥皂泡上的湍流热对流,研究了肥皂泡上的温度与黏性边界层以及拟热能和动能耗散规律.结合肥皂泡上温度场与速度场特征,分别根据温度脉动均方根最大值以及速度脉动边界处斜率延长线与最大值交点提出了肥皂泡上温度与黏性边界层的识别方法.研究发现,当肥皂泡从边界吸收能量时,拟热能耗散与动能耗散均集中在边界层中,肥皂泡上的温度边界层与黏性边界层厚度与瑞利数Ra存在明确的标度关系.相比经典Rayleigh-Bénrad对流(RB对流)模型,温度标度指数具有较为接近的结果,但速度标度指数存在一定的差异.此外,在混合区,均方根温度(T^*)随纬度(θ)具有近似T^*～θ^0.5的标度关系,这与RB对流模型及其相应的理论预测一致.最后通过能量平衡方程发现,肥皂泡上拟热能内耗散率ε0/T和动能内耗散率ε0/u比拟热能外耗散率ε1/T和动能外耗散率ε1/u大1个量级,拟热能与动能的内部耗...     

肥皂泡的光学和力学性质

从光学、力学、热学角度对肥皂泡的基本物理性质进行了实验研究,应用光学干涉原理实现对肥皂泡折射率及厚度较精确测量,并利用受力平衡原理求体积一定的肥皂泡的质量,再利用拉脱法测量肥皂液表面张力系数,进而研究肥皂泡表面自由能和内外压强差等.     

肥皂泡中的科学初探

 提起肥皂泡,每个人都会联想起自己的童年时光,一件孩童的玩物,当我们在欣赏它的独特形状和奇异色彩时,是否曾惊叹这样一个五彩缤纷的东西竟被我们那样容易地吹了出来。也许你不相信,一个肥皂泡所包含的内容,是远远超过一个只是吹吹玩的人的想象的。1889年底到1890年初,伦敦物理学会主席C.V.波易斯曾分3次为伦敦的青少年做过有关肥皂泡的演讲,而在其前后,更有许多科学家做过有关肥皂泡的研究:如科学巨匠达·芬奇,物理学家牛顿、胡克、托马斯·扬、瑞利、吉布斯和朗缪尔,数学家高斯、拉普拉斯和泊松等。小小的肥皂泡究竟有多少诱人的秘密,让这么多人去研究它?     

大小肥皂泡连通后的讨论与计算

从弯曲液面附加压强、气体状态方程以及"球缺"的有关公式等出发,对大小肥皂泡连通后的变化作了全面的阐释,导出了最后大泡半径的近似公式,还介绍了演示实验,拍得了3个泡的照片,测出了它们的半径,验证了这个近似公式.并对产生误差的原因作了分析.     

吹肥皂泡过程中做功问题的讨论

现有的普通物理热学教材中,一般都有这样一道典型题:"将压强为p0=1.0 atm的空气等温地压缩进肥皂泡内,最后吹成R=2.5 cm的肥皂泡.设肥皂泡的胀大过程是等温的,求吹成这个肥皂泡所需做的总功,设肥皂水的表面张力系数σ=4.5×10-2N/m".有些教材[1～3]将其做为例题,而另一些教材[4～5]则做为习题.做为例题的教材中的分析求解过程一样,答案也一样;而做为习题的教材中,有的附有答案[4],答案与前者完全相同.笔者认为,这些教材中分析求解的方法及结果值得商榷.     

对"吹肥皂泡过程中做功问题"的再讨论

"将压强p0=1.0 atm的空气等温地压缩进肥皂泡内,最后吹成R=2.5 cm的肥皂泡.设肥皂泡的胀大过程是等温的,求吹成这个肥皂泡所需的功,设肥皂水的表面张力系数为σ=4.5×10-2N/m".这是普通物理热学教学中少数极为精彩的习题之一,因而为国内许多通行的教材或选为习题,或采用为例题.用为例题的诸多教材中,一般都对求解过程描述得过于简捷[2],因而引起文[1]的讨论,并提出了自己的解题过程,得到异于通常教材的解答.实际上,文[1]的这种解法是错误的.     

原子核电荷半径的研究

结合已有的原子核半径的实验数据,对先前的核电荷半径公式进行验证和探讨.比较单参数核电荷半径公式,验证了Z~(1/3)律公式要优于A~(1/3)律公式.对两参数公式和三参数公式进行验证,得到两参数和三参数公式要优于单参数公式.考虑到原子核电四极矩与形变的关系,在原有的三参数公式中加入电四极矩因子项,得出核电荷半径新公式.拟合该公式发现核电荷半径理论值与实验值符合较好.再考虑总自旋与电四极矩的关系,求出内禀电四极矩,代入公式中进行拟合,均方根偏差进一步下降.最后加入能反映奇偶摆动现象的δ项,用公式得到的均方根偏差为0.369 fm,较好地反映出了形变与核电荷半径的关系.     

基于原子核密度的核电荷半径新关系

从核质量出发系统地研究核电荷半径,进而得到核电荷半径的计算值和预言值.运用AME2020数据库结合CR2013数据库得到已知质量且已知半径的原子核(Z,N≥8) 884个,计算得到884个原子核密度.研究原子核密度得到常参数经验公式,利用此经验公式结合AME2020数据库得到核电荷半径的计算值与实验值之间的均方根误差σ=0.093 fm.考虑到中子数对原子核密度的影响,添加了中子因子1/N进行修正,均方根误差减少为0.047 fm.再添加中子壳层效应进行修正,均方根误差减小至0.034 fm.基于修正后的经验公式结合AME2020数据库得到Z,N≥8的1573个核电荷半径预言值,其中一些预言值与近些年测得实验值的对比结果说明利用此关系得到的预言值具有一定的意义.此外,剔除一些特殊的壳层后,剩余791个核电荷半径常参数经验公式计算值的均方根误差为σ=0.063 fm,修正后降至σ=0.032 fm.研究结果表明本文提出的核电荷半径关系具有一定的简便性和可靠性,可以与A^1/3律和Z^1/3律修正后的全局核电荷半径关系相媲美.最后,本文又引入Leve...     

Theoretical study on the dislocations in the bubble rafts

The core structure of the dislocation in a bubble raft has been evaluated by using the improved P–N equation. The dislocation profile has been obtained explicitly for the bubble radius R=0.296, 0.592, 0.650, 0.888 mm. The results show that the core width of dislocation will increase rapidly when the bubble radius decreases, especially, this trend will become more significant as the radius is more smaller. Our calculated results agree well with the experimental data, and our method can be used to predict the core structure of the dislocation in a bubble raft where bubble-radius is given arbitrarily.     

含气泡液体中气泡振动的研究

研究了含气泡液体中单个气泡在驱动声场一定情况下的振动过程. 让每次驱动声场作用的时间特别短, 使气泡半径发生微小变化后再将其变化反馈到气泡群对驱动声场的散射作用中去, 从而可以得到某单个气泡周围受气泡散射影响后的声场, 接着再让气泡在该声场作用下做短时振动, 如此反复. 通过这样的方法, 研究了液体中单个气泡的振动情况并对其半径变化进行了数值模拟, 结果发现, 在液体中含有大量气泡的情况下, 某单个气泡的振动过程明显区别于液体中只有一个气泡的情况. 由于大量气泡和驱动声场的相互作用, 使气泡半径的变化存在多种不同的振动情况, 在不同的气泡大小和含量的情况下, 半径变化过程分别表现为: 在平衡位置附近振荡的过程; 周期性的空化过程; 一次空化过程后保持某一大小振荡的过程; 增长后维持某一大小振荡的过程等. 所以, 对于含气泡液体中气泡振动的研究, 在驱动声场一定的情况下, 必须考虑气泡含量的因素. 关键词： 含气泡液体 超声空化 散射 数值模拟     

含气量对黏性液体中空泡脉动特性的影响

采用自行研制的高灵敏度光偏转测试系统,研究黏性液体中激光空泡脉动特性.判定了空泡两次脉动对应的最大和最小泡半径,进而计算了激光空泡在前两次脉动过程中泡内的含气量.研究表明：泡内含气量对泡脉动特性有较大影响.随着脉动次数的增加,空泡泡内含气量增大.空泡最大泡半径随含气量的增加而增大.此外,受液体黏性影响,空泡膨胀和收缩过程明显变缓. 关键词： 含气量 黏性 激光空泡 脉动特性     

固壁面附近激光产生空泡脉动过程的实验研究

采用自行研制的光纤传感器研究了激光等离子体空泡在固壁面附近的脉动特性。实验获得了激光空泡三次膨胀到最大位置对应的波形图;并据此判定了激光空泡在脉动过程中对应的最大泡半径和溃灭周期;在此基础上结合空泡溃灭理论,计算了激光泡溃灭周期的延长因子κ。结果表明:随着脉动次数的增加,最大泡半径依次减小;随着作用激光能量的增大,最大泡半径,空泡溃灭周期的延长因子κ均增大;而无量纲参量的增大将导致延长因子的减小。所得到的延长因子同样可用于无限域流场。     

非球形水下爆炸气泡坍塌机制

 为研究非球形水下爆炸气泡的坍塌机制和射流特性,采用水下爆炸实验和数值模拟相结合的手段,研究了典型的柱形装药自由场水下爆炸气泡的运动过程。实验结果与数值模拟结果符合较好,通过对比发现,非球形水下爆炸气泡坍塌所形成的射流与球形气泡坍塌射流的行为存在差异。研究结果表明：非球形气泡的坍塌过程与气泡初始形态的局部曲率半径有关,初始气泡表面曲率半径大的区域的初始膨胀速度较曲率半径小的区域的小,坍塌时刻也较早,导致气泡产生非球形坍塌。     

Modulation of the secondary Bjerknes force in multi-bubble systems

The behaviours of insonated bubble clusters are regulated by the secondary Bjerknes force between bubble pairs. While the force has been investigated extensively for two-bubble systems, the modulation of the force by nearby bubbles remains unclear. This problem is investigated in this paper by theoretical analyses and numerical simulations of a three bubble system. For weak oscillations, the third bubble is found to have strong effects when its radius is close to the resonant radius. The equilibrium distance between the bubble pair is reduced when the radius of the third bubble is smaller than the resonant threshold, and increased when it is larger. For strong oscillations of bubbles with radii of a few microns, the third bubble reduces the magnitude of the force, hence increasing the equilibrium distance. The modulation effects depend strongly on the relative sizes of the bubbles. Stronger effects can be produced when the third bubble is placed closer to the smaller bubble in the bubble pair. The findings highlight the need for a more accurate parametrization of the secondary Bjerknes force in the simulation and manipulation of bubble clusters.     

Stability of an encapsulated bubble shell

The stability of an encapsulated bubble filled with gas is studied where gas is allowed to diffuse out of the bubble. A mechanistic model that takes into account shell stiffness and surface tension is considered. A critical shell radius for loss of mechanical stability is derived based on a technique adapted for small radius, where surface tension effects become substantial. A new parameter is defined that determines the relative importance of surface tension forces and shell stiffness for shell stability. The developed technique allows to predict, for a given bubble population and gas saturation level of the surrounding liquid, a range of bubble sizes which may collapse in time. Surface tension effects are dominant in determining the critical radius but have a negligible effect on the minimal radius for collapse. The influence of the surface tension on the stability of the shell is illustrated for Optison, a typical ultrasound contrast agent.     

声场中双空化泡的运动特性

空化泡的运动特性是声场作用下的动力学行为,受空化泡初始半径,声压幅值,驱动声压频率,液体特性等众多因素的影响,是个复杂工程。本文从双空化泡运动方程出发,考虑到液体粘滞系数、空化泡辐射阻尼项的影响,研究了不同初始半径、驱动声压频率、驱动声压幅值、液体粘滞系数下空化泡泡壁的运动情况,研究结果表明不同初始半径、外界驱动声压频率、驱动声压幅值、液体粘滞系数均会对空化泡的膨胀比和空化泡的溃灭时间有一定影响。     

Influence of rigid wall on the nonlinear pulsation of nearby bubble

This paper mainly focuses on the nonlinear pulsation of a bubble near the rigid wall. Dynamics of near-wall bubble and free bubble are discussed and compared in details. Investigation reveals as the driving acoustic pressure amplitude increases, nonlinear pulsation of bubble becomes intense gradually. Besides, decreasing the viscosity of host liquid is advantageous for the nonlinear pulsation of bubble. Bifurcation diagrams of bubble radius show acoustic reflection of the rigid wall makes the initial bifurcation appear at low driving acoustic amplitude and on bubble with small ambient radius, and makes the bifurcation still exist for bubble in high-viscosity liquids. That indicates the rigid wall will produce enhancement on the nonlinearity of nearby bubble. As the bubble approaches the wall, the enhancement becomes strong. Moreover, research on the influence of driving frequency shows the rigid wall makes the frequency band corresponding to chaos around the resonant frequency of free bubble shift downward.     

Molecular dynamics study of helium bubble pressure in titanium

In this paper,the pressure state of the helium bubble in titanium is simulated by a molecular dynamics(MD) method.First,the possible helium/vacancy ratio is determined according to therelation between the bubble pressure and helium/vacancy ratio;then the dependences of the helium bubble pressure on the bubble radius at different temperatures are studied.It is shown that the product of the bubble pressure and the radius is approximately a constant,a result justifying the pressure-radius relation predicted by thermodynamics-based theory for gas bubble.Furthermore,a state equation of the helium bubble is established based on the MD calculations.Comparison between the results obtained by the state equation and corresponding experimental data shows that the state equation can describe reasonably the state of helium bubble and thus could be used for Monte Carlo simulations of the evolution of helium bubble in metals.