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雨滴击打水面产生气泡的动人故事: 热度 20 zhongwei2284 2015-4-23 11:17; 第一章：雨滴击打水面 de 自然现象在雨中，一阵阵风吹来，让雨点们时而向前时而向后，雨点的大小也会有所不同。然而，某一瞬间风停了，雨点落入积水的浅滩中，伴之而来的，是一个气泡瞬间出现，半球形，并且很快就破裂了。然后在另外一处，又发生了同样的一幕。有时候在屋檐下，顺着瓦槽落下的水以及雨天树上落下的大水滴击中了小水潭，也会有气泡冒出，持续一段时间后碎裂、消失无影了。以下是我对这个过程的想象： Fig.1 第二章：液面上大气泡半球形的热力学证明对于液面上产生的气泡而言，当气泡达到稳定状态时 , 要力求其表面吉布斯函数值最低。因为形成气泡的过程既可以认为是恒温恒压过程 , 也可以认为是恒温恒容过程 , 所以既可以应用表面吉布斯函数最低原理 , 也可以应用表面亥姆霍兹函数最低原理来证明气泡的形状。应当说明的是液面上的气泡只是亚稳状态 , 而气泡破裂消失才能真正达到热力学上最稳定的状态。现在先要建立一个适当的模型。在建立模型前 , 应观察一下液面上大气泡的实际形状 : Fig.2 从 Fig.2 可以看出 , 液面上的气泡并非绝对的半球形 , 在与气泡膜接触处 , 在膜内外表面的表面张力作用下 , 液体表面向上有所弯曲。然而在形成气泡后 , 气泡内外液体水平表面积与没有形成气泡前水平面的表面积几乎是相同的。根据气泡的半球形状 , 可以建立气泡的球缺形物理模型 , 以水平液体表面与球缺形气泡膜交界处气泡膜的切线与液体水平表面之间通过气泡内的夹角 􀀁 为变量 , 如图 2, 以便证明半球形气泡在热力学上是相对稳定的。角 θ 的变化范围为。 Fig.3 由于建立的模型与真实情况有所差异 , 故要做以下 4 个合理的简化假设 : 1 、设气泡膜内外液体水平表面在与气泡膜交界处呈水平。这是针对实际情况该处液面向上稍有弯曲而提出的。 2 、设重力对气泡膜的影响可以忽略 , 因而气泡成球缺形。 3 、因曲率半径很大 , 设弯曲的气泡膜对气泡内气体的附加压力可不考虑 , 故角 θ 为不同值时 , 气泡膜内气体体积恒定 , 且膜内外液体表面处于同一水平。 4 、因气泡膜很薄 , 设气泡膜内外两表面的面积相等。但这 4 个假设是为了下面计算气泡膜的面积及液体水平表面积时考虑的。其中主要是前 2 个假设 , 后 2 个假设因影响微乎其微 , 本可不必提出 , 但为了严谨起见 , 还是应当加以考虑的。系统内若有几种界面时 , 总界面吉布斯函数等于各界面张力 γ 与其界面面积 S 乘积之和，即 i 为系统中的每一种界面。本文中只有一种界面 , 即液体的表面。以 V 代表气泡的体积 , R 、 h 分别代表球缺的球面半径及球缺的高，以 S l 、 S m 分别代表水平液体表面和气泡膜单面的面积 , 且 S l 值足够大，以 γ 代表液体的表面张力。角 θ 的变化范围为。当 θ 取不同值时 , R 、 h 均相应地改变 , 致气泡膜的单面面积 S m 也相应地改变 , 因而系统的总表面吉布斯函数也相应地改变。由以及得到气泡膜的单面面积则为因系统中水平液体表面积为 S 1, 气泡膜有内外两个表面 , 且认为相等 , 故系统的总表面吉布斯函数为 : 所以由上面两个式子得到所以此时可以得到当角度取90的时候吉布斯自由能最小，于是证明出液面上大气泡的亚稳态时的形状为半球形。这也说明空气中悬浮的圆球形的大肥皂泡若落在肥皂液表面上 , 也要变成半球形。现在以球形为基础定义相对吉布斯自由能来作图。从圆球形气泡膜的单面面积及气泡体积，求得单面面积这时圆球形气泡膜的表面吉布斯函数为 : 定义系统的相对表面吉布斯函数在这里，相对表面吉布斯函数的意义就是球缺形气泡膜的表面吉布斯函数与同体积圆球形气泡膜的表面吉布斯函数的比值。所以 Fig.4 第三章：水面产生气泡的基本性质 3.1 ：弗劳德数（Fr）和韦博数（We）弗劳德数定义：其中U为液体运动的速度，g为重力加速度，a为液体的尺寸。 Fr 用来确定一个部分浸没的物体移动时通过水的阻力。在自由表面流的流量的性质（超临界或者亚临界）取决于Fr是否大于1. 韦博数的定义： σ为表面张力系数，ρ为液体密度改进的韦博数：其中韦博数运用在有不同界面的交界的情况，尤其是具有强的曲面的多相流。可以认为它度量的是液体的惯性与表面张力的比较。这个参数在薄的肥皂膜流、液珠的形成以及气泡的形成中具有重要且有效的运用。 3.2 ：关于小液珠Impact液面的实验结果 Fig.5 Fig.5 中点为实验数据，实验中用到的小液珠的尺寸均为a=2R。线是拟合的线，坐标的线是小液珠达到的速度极限。灰色的区域是可以产生气泡的区域。从 Fig.5 可以看出气泡只在很小的一部分参数空间才会产生。在灰色区域下方，由液滴击打液面产生的坑太浅而无法产生气泡，但在灰色区域上方，由于液珠的撞击时的能量太大依然无法产生气泡。进一步对小液珠撞击液面的参数进行研究，发现了一下关于弗劳德数和韦博数的规律 Fig.6 其中这两条线上对应的实验点与 Fig.5 上面的实验点对应。数据点很好的吻合在两条直线周围，可以得到如下关系：对于 Fig.6 上面一条线：A=48， α=0.247；对 Fig.6 下面那条线，A=41.3，α=0.179。 3.3 ：定性分析以上结果对于 Fig.6 的上一条线，假设对于产生的坑（crater），小液珠的速度有效的作用在整个坑的表面，这个crater会迅速的朝径向增长，而没有气泡会entrapped。令Rsp=Rc，其中Rsp是整个液珠的速度作用范围内的一个特征线度，Rc则是crater的曲率半径。为了估算坑的半径，首先我们计算出小液珠在impact之前的能动能，忽略表面张力的作用，并假设crater是半球形的，则很容易得到。现在来估算液滴速度的作用半径。假设此时小液珠受到的阻力等于质量乘上加速度：，这条假设意味着小液珠速度为U时，经过时间U/R，小液珠达到速度为0的状态。此时限制速度传播出去的因素是液体的表面张力，因此我们得到以下平衡假设质量的作用作用在整个crater上，以至于表面张力的限制作用主要只在垂直方向起作用，正如上式左边的单纯质量导致的加速度一样。因此得到如下结果： Rsp~ R ·We 由上面的分析得到对于 Fig.6 中下面线的分析则得到了 3.4 ：discussion 对于更严格的数学推导此处暂时省略，在原文中有，这里仅做简单的讨论：研究表明对于是否产生气泡这个结果是源于crater周围任何一点的恢复时间的一个非常微妙的平衡。如果出口处先恢复，则会产生气泡，否则难以产生气泡或者气泡比较小。小液珠对于终端速度的冲击使得小液珠的半径与速度之间有了一个函数关系。具体关系在一开始的图的左边的灰色线。这条线有一个很大的斜度，这个使得能够产生气泡的液滴的尺寸必须在一个很小的范围之内。且小液珠的速度同样需要在一个很小的范围之内。因此产生的气泡的半径也是在一个很小的范围。这就使得气泡的产生称为了一种很特别的似乎是统计性的事情。对于气泡的产生过程还有很有意思的结果，例如特有的水下的声波的产生。当产生气泡的时候，水面之下可以检测到特别的声波信息，具体结果见下一节。其中会有一个很明显的峰值，而这个峰值就与气泡的产生有关系。峰值大概在14~15Hz左右，需要有更加严格的数学推导来证明这个结果。这里先列出来我们计算结果中小液珠可以产生气泡时的半径：0.19~0.30mm，相应的产生的声波的峰值为11~17Hz，而中心峰值则是与观测结果一致。而下面是一些问题 1、被击水面的水深对结果的影响文章里面并没有给出来相应的说明和讨论； 2、经过分析得到的指数值与实验值仍然有不小的偏差，具体原因何在； 3、 Capillary wave 等液体的表面波对结果是否有影响，有怎样的影响； 4、温度对结果是否有影响。暂时仅提出以上四个小问题，留作参考和进一步思考。第四章：表面张力以及粘性对气泡产生的影响 4.1 ：实验与结果 Bubbleentrainment 是crater尖点处concentric capillary pinching与粘性耗散竞争的结果。它可以很好地由毛细数Ca来描述（Ca=μV/σ，其中μ为粘性系数，V为impact速度，σ为表面张力系数）。先看下实验条件： Fig.7 接下来了用如下的实验仪器系统进行实验： Fig.8 实验中发现当且仅当涡量仅仅集中在crater的中心的时候会出现vortex ring，如果某处的对流很强，则vortex ring的形成就受到影响。regular bubble entrainment过程中具有较强的对流效应，这也许就是为什么regular bubble entrainment过程中没有vortex ring产生的原因吧。更多定量结果表明产生的泡泡的尺寸与粘性强弱呈反比关系。 Fig.9 Fig.9 是不同粘性条件下，临界crater形状以及不同entrainment区域的结果图。0表示在产生泡泡的区域之下，1表示在区域里面，2表示在区域上方。 4.2 ：粘性的影响 Fig.10 Fig.10 反应的是产生的泡泡的尺寸和毛细数的关系。当粘性对泡泡的产生起作用的时候，前面说过的Fr与We对结果的描述已经是不够用了，因此引入了毛细数作为一个新的描述的参数。 4.3 ：临界锥角 Fig.11 结果如 Fig.11 所示，Longuet-Higgins(1990)早就预言了有一个临界锥角为109.5度。上述的结果与他们的预言相当吻合。 4.4 ：关于thin jet产生过程的一个强的指数规律高速的liquid jet是在bubble pinch-off过程中，由the radial focusing ofthe bulk flow造成的high-pressure stagnation(停滞)导致的结果。 Fig.12 Fig.12 为thin jet。Hogrefe.et.al. (1998)推到得到了如下规律其中z和r是在liquid jet上面描述侧壁性质的一个极坐标参数，（z,r,t）通过无量纲化变为（z*,r*,t*），z和r在无量纲化的过程中分别与小液滴的尺寸D有关，而t则与D/V有关。则修改之后上述方程变为实验结果如 Fig.13 所示，其中相应的α值为0.656，β值为-0.435。 Fig.13 通过上面的方程，我们可以得到垂直方向的jet的速度和加速度表达式：对于不同粘性的液体中，α值也是变化的，0.4α0.6667,可看 Fig.14 所示的结果 Fig.14 第五章：under water sound 3.3.1 ：Franz 的观点与实验仪器 Franz 第一个系统的研究了液滴撞击水面时在水下产生声音的问题。他的文章也被视为这个领域开创性的文章。其中用到了高速摄像技术以及对水下声音的接受。其中的高速摄像技术在以后也得到了很多更广泛的运用。 Franz 认为水下声音产生的源头有以下几个方面： 1 、撞击过程以及液滴在自由表面的扩散； 2 、液滴在水面的共振振动（如果液滴和液面都具有一定的刚度） 3 、由于产生气泡导致的水中液体流量的脉动。他发现观测的结果与声压、液滴大小以及撞击的速度有关，他还研究了频率的相关内容例如peak 频率等等。接下来来看看相关的实验结果，首先先看下相关的实验观测的仪器(TUD)： Fig.15 液滴从水池RS中流出经过针头N滴入水池T，相关的影像被放大到F屏上，L1是一个放大镜，影像在卷轴R上连续地运动，图像随着影像的移动而移动因为中间有个旋转棱镜P，声音由hydrophone（水听器）H接收并传到oscilloscope（示波器）O上面成像。将示波器的时基关闭，使得得到的实验点被影射到一张垂直的纸面上，它的图像通过透镜L2聚焦到移动的影像上，使它可以在图像上有一个连续地轨迹。对于从不同高度落下的小液滴，出口的速度和到水面的速度有如下关系其中vI是撞击水面时候的速度，vT是从N出流出的时候的速度，g为重力加速度，h为N处流出时到下方水面的高度，vT与小液滴的尺寸大小d有关系。 3.3.2 单个小液滴的实验结果 Fig.16 Fig.16 展示的是由单个小液滴产生的典型的压力—时间关系的图。左图为 irregularentrainment 情况，5.2mm的液滴从3.5m的高度落下，撞击速度为6.8m/s，最上面那根线表明在250ms左右探测到了bubble sound而下面那根线表明在60ms左右探测到了bubble sound，而最下面的结果则没有bubble sound。Bubble sound比预期的存在的时间长的多，原因仅仅是因为tank壁面的反射作用导致的结果。而右图是 regular entrainment 情况，一个3mm大小，撞击速度为2m/s的液滴撞击液面的结果，上面的线反应的是整个探测过程的结果，初始的撞击时间仅仅只有8ms，而在32ms左右有bubblesound；下面的线则是将bubble sound周围的时间放大，显示出了更多的关于bubble sound产生的细节过程。下面看下产生气泡的条件： Fig.17 对于 Fig.17 ，Regular bubble entrainment出现在狭长的灰色地带，irregularentrainment则近似地出现在右上角的线状区域。坐左边的线则为terminal velocitycurve for raindrops。纵坐标的单位是：number of drops in a 0.1-mmsize range striking an area of 5o cm 2 in a time of 90s. 对于产生气泡的条件这里还需要强调的一点就是关于表面张力产生的影响。对于表面张力的影响的测量是比较困难的，但是这里需要指出的是表面张力小于等于48 dyn/cm时不会产生气泡。 3.3.3 ：人工雨以及自然降雨时产生的结果 Fig.18 Fig.18 左图是由不同尺寸的雨滴产生的降雨得到的结果。实线为特别大的雨中的结果，下面四条线对应的尺寸与上节中条件的图中的相对应，由上往下分别对应b、c、d、e的结果。右图中空心点为现实的雨中测量到的结果，实心点为实验结果，黑线为Franz他们的结果。 Fig.19 Fig.19 右图中，黑点为实际雨中测量的结果，空心点为TUD中的结果，三角点为NCPA（其他组）的结果；右图为声音-压力 trace 图：上面的是由水喷雾到一个大的水tank中产生的结果，下面的则是近200个这样的trace的平均效果图。 Fig.20 Fig.20 中黑点为雨落入纯净的水中的结果，白点为落入有杂质的水中的结果。左边的是人工的雨，右边的是自然中的雨的结果。第六章：结果与讨论雨滴击打水面产生气泡的过程中有一系列很有意思的结果，包括气泡呈现半球状，109.5度的临界角，以及狭窄的可以产生气泡的参数范围，当然还有有趣的水下的声音的特点。对于这个简单的自然现象，表面看上去平平淡淡但是实际上却包含了许多动人的东西。由impacting drop产生的underwater sound 有两个分离的机制：一个是初始的撞击声，这个是所有的雨滴impact都会有的结果；另一个是bubble oscillation，这个产生的sound比初始的impact产生的强的多但是并非每个drop impact都会产生。液滴的diameter 在0.8~1.1mm时产生bubble。对于频谱图，在14—16 kHz处有peak是一个普遍现象。但是低频的声音与液滴大小的明显的关系没有得到解释，单液滴实验表明更大的液滴产生的开始阶段的sound比小液滴产生的更加louder，因为它的尺寸和速度都比较大；并且，对于更大的液滴而言如果它产生了气泡那么比小液滴产生的气泡也更大。低频上的声音应该是上述两种效应的叠加。在 Fig.21 左图从上往下依次是减小表面张力得到的结果。开始的impact也许不是产生14—16 kHz peak的原因，但可能对此具有一定的贡献。 Fig.21 右图为简单总结。 Fig.21 尽管如此，大部分文章中都很少专门讲述浅水滩中的气泡的产生，在浅水滩中，由于毛细波的影响会变的非常重要而不能忽略，这时候看上去气泡比较难产生或者比较难达到稳定，但是现实中在浅水中产生气泡的几率似乎更大更容易的多。气泡的产生本身就是一种竞争行为，那在浅水中这种竞争又是如何更加美妙的发生的呢？主要参考文献：王正烈, 大学化学， 2010, 25（2）：49-53 H.N.Oguz, A.Prosperetti, J.Fluid.Mech, 1990, 219:143-179. H.N.Oguz, A.Prosperetti, J.Fluid.Mech, 1989, 203:149-171. Q.Deng, A.V.Anilkumar, T.G.Wang, J.Fluid.Mech,2007, 578:119-138. H.C.Pumphrey, L.A.Crum, L.Bjorno, J.Acoust.Am,1989,85(4):1518-1526. G.J.Franz, J. Acoust. Soc. Am. 1959,31, 1080-1096. 相关博文《水珠、气泡、liquid jet 以及其他》 http://blog.sciencenet.cn/blog-739225-708015.html 《下雨时，水面上动人心弦的故事》 http://blog.sciencenet.cn/blog-739225-704570.html; 个人分类: 那些贝壳们|17665 次阅读|25 个评论

水珠、气泡、liquid jet 以及其他: 热度 1 zhongwei2284 2013-7-14 13:09; 很多东西，最怕习惯了！习惯了某种思维，习惯了某种生活方式！从小就有的某种观念告诉我，不同的液体是可能不相容的。例如一滴油滴到水面上将会发生什么？不言而喻，油会击打水面之后浮在水面之上。那一滴水滴在水面之上，会怎么样呢？闭上眼就能回答它的最终归宿是溶入水中。那水滴在溶入水中之前，会发生什么呢？水滴浮在水面有可能吗？这个在观念上似乎是不太合理的问题，但自然地神奇之处就在于不断给人以惊喜。水珠是有可能浮在水面上的，而且，它还可能带着曼妙的舞姿跳个水上芭蕾呢！（见图一左与图一右）图一(分别引自 ) 虽然这是一种亚稳态，但却依然给予了观念上的震撼，这种现象也是常常可以看到的。有时候用一根小木棍搅动浅水滩就有可能出现。曾经无聊时拿了一瓶只装了1/4的矿泉水，在大约水气交界处的某侧用手指用力去弹矿泉水瓶身，也曾经欣赏到了一场紧凑的演出，舞台光影闪动，舞剧一幕接着一幕，着实动人。 2005年，关于水珠在水面游走的问题似乎被解开了。在某些网站上，它还被冠以“千年难题被破解”并被争相报道。水滴溶入水面之前，还有一些别的同样美妙的事情发生着呢。若一滴水自高空落下，“噗通”落入水中，有可能溅起水花然后消失了，也有可能冒个大大的气泡 (图二左)，或者形成一个liquid jet ？！（图二右）这方面的study还在继续！图二最近，我在想，水珠在水面的游走于激起的气泡或者liquid jet之间是否有什么联系呢？这是已经完成了的想法？它是否有多大意义？在这些问题的更进一步思考的过程中，总觉得有点跟不上节奏了。在一开始就缺乏指导的情况下很容易多走弯路。走弯路不要紧，就怕走着走着折不回来了。很多时候总得多走些弯路才能体会的更深刻！参考文献： Y. Couder et al , From Bouncing to Floating Noncoalescence of Drops on a Fluid Bath , Physical Review Letter.2005(94): p( 177801 )1-4 Y. Couder et al , Walking and orbiting droplets , Nature,2005(437):p208 Hasan N. Ocuz Ander Prosperetti , Bubble entrainment by the impact of drops on liquid surfaces , J.Fluid.Mech,1990(219):143-179 John R. Richards et al , Dynamic breakup of liquid liquid jets .Phys.Fluids,1994,6(8):p 2640-2655; 个人分类: 生活与自然|4792 次阅读|2 个评论

"物含妙理总堪寻": 热度 2 zhongwei2284 2013-7-5 15:54; 刚刚从物理系“小学”毕业，马上要升学了。但自己学识还很浅，反复琢磨得到结论：自己离获得物理真理的发现之路还很遥远。突然想起了“物含妙理总堪寻”这句话，可能是上午刚在由于渌院士及郝柏林院士编写的高级科普读物《边缘奇迹 --- 相变与临界现象》中看到的，自己觉得挺有道理的，便在此自勉之！应该每条道路都是艰辛的，捷径就是不懈努力！但现在自己还才刚刚准备起步，想找点乐子让自己不至于对即将开始的研究生道路失去兴趣，自己身上还缺乏很多必要的东西，需要亲身经历一段曲折的历练，应该自己才能真正成长起来。但接下来的这个暑假，有点小小的无从下手的感觉，最近一些日子在看些自己挺有兴趣的小文章，都是些关于气泡、小液滴之类的，上不了大堂，但想来之，总是有些收获，至少挺愉快的。我也挺想找个地方先呆两个月，也许没找对人也没找对时间，到现在，只能自己呆在家里，看看闲书，打发时间。没事时用我的小手机拍几张照片，娱乐娱乐 ~ 对于科研上的事，还希望能有各位前辈、高人们的建议啊！（以下照片拍的是在晒衣服的时候雨滴滴到地板上已经成了一个小水滩之后的场景，像素有限，抓拍能力有限，细节看不是很清楚，莫见怪啊！）这一瞬间，对我来说，多少也是有点动人的！实在是放大了更不清楚了？没办法！我也暂时只能做到这样了！（上图右侧中间对应处放大一些的效果）最后，展示的第三张照片更加不够清楚，哎，有点小遗憾。本来感觉挺美的一顶皇冠只能顺便把别人的也拿来用一用了，对比一下，意思意思吧！这样一比，感觉自己拍的连丑小鸭都算不上了诶！而别人的还是白天鹅啊 ~~~ 注：前一张是别人（ Edgerton Killian 1987 ）的，后一张是自己拍的，差距啊！！！ vs; 个人分类: 生活与自然|4154 次阅读|2 个评论

下雨时，水面上动人心弦的故事: 热度 1 zhongwei2284 2013-7-2 13:01; 首先，吐槽一下，想开科学网的博客还真的不容易啊，几经审核，到最近才通过，此历程之艰辛，却也总算得到了回报，我也总算加入了科学网这个大家庭，在这里，有很多前辈和高人的经验和正能量的言论总是使我受益良多。对于科学网这个好地方，真正关注也就这一年的事情，作为一个刚刚毕业的本科生，在大学期间错过了这么一个好的网站将会是有点遗憾的，还好，我赶上了我大学四年的末班车 ~ 另外，在科学网，我作为晚辈后生，不敢大肆方言，在很多专业问题上，我是模糊而并非特别的擅长的，对于很多问题，若我的言辞有失其本意的，还望大家伙批评指正，我一定虚心受教，讨论与批评中，相信大家可以一起成长！似乎扯远了，但先把心中想说的说了，以防又忘了。本来想的是一个别的开场白的，结果因为没及时记住，也只能这样了。话说回来，那又有什么关系呢？总之，想说一句：俺也在科学网安家了，还望大家多多照顾，多多指教！下面说一些和题目有关的东西。下雨天，总是让人有意想不到的收获，我是一个南方人，对雨有特别的好感，一到下雨就像回家了一样，雨中也有很多动人心弦的场面。不知道谁说过：自然是我们最好的老师！真是如此啊！不是吗？图一：这算壮观么？我把它当作是吧！图二：还挺安静，还挺和谐图三： “淋”立于水面的自然之诗图四：看到水面的那些玩意儿了吗？它们是啥？哈哈图五： Capillary wave ？ That is ！图六：谁知道这张图里有多大的世界呢！图七：还算有点味儿图八：风起云涌，排山倒海之势也不过如此吧！图九：气泡破了，哎呀，听不到声音诶 ~ 大自然的声音常常隐藏在它的动作里？图十：自然真的就是一首诗！到这里，我想文章差不多结束了，可能有些人会看到我的这边博文处女作，或许该令大伙儿失望了吧！但没事，我比较坚强！从大自然中获得美与收获是我的不懈追求之一！关于上面的一些相关现象产生的原因，我最近有仔细的学习，但因为学的还不够透彻，对于其中还有许多待思考的东西，在此，就不班门弄斧了！以下是我找的一些文章，愿有同道者可以互相学习，相互讨论！ An Experimental Study of Mesler Entrainment on a Surfactant-Covered Interface Th.pdf DropImpactJfm.pdf Surface-tension effects in the contact of liquid surfaces.pdf THE IMPACT OF DROPS ON LIQUID SURFACES AND THE UNDERWATER NOISE OF RAIN.pdf Underwater sound produced by individual drop impacts and rainfall.pdf; 个人分类: 生活与自然|5207 次阅读|1 个评论

[转载]科学家揭示气泡破灭物理学过程: 热度 1 upflyzhang 2012-11-9 02:05; 来源：科技日报冯卫东科学家揭示气泡破灭物理学过程在事物的表面，气泡的破裂似乎是一个简单的、平淡无奇的事件。在6月10日出版的《自然》杂志上，哈佛工程师报告说，与此正好相反的是，气泡破裂的背后其实隐藏着精美而复杂的物理学过程。气泡不是简简单单地就化为乌有了，一个大气泡会消散于一串小气泡中。这一发现可称得上是“爆破”科学领域所取得的一个进步。灵感来自偶然论文的主要作者、美国哈佛大学工程与应用科学系的毕业生詹姆斯·伯德及其同事是在偶然的情况下发现这一普遍规律的。他们表示，在洗碗池中的泡沫和海洋中的泡沫破裂的方式其实是完全一样的。伯德和文章的另一作者、哈佛大学工程与应用科学系前助理研究员洛朗·科尔宾，在一次实验室午夜会议期间激发了研究气泡如何破裂的灵感。当时他们正在研究在不同的表面传播气泡的方法，他们俩注意到了生成的这些小气泡串，于是决定一探究竟。 “自此之后，只要是下雨天，无论任何时候，我都要跑到水坑周围去观察气泡的破灭。”伯德说，“当我在大海中游泳时，我也要对着海水表面的气泡盯会儿，看看能否观察到同样的效果。我很快意识到，这种现象无处不在。” 气泡破灭两部曲伯德解释说，为了使表面积最小化，一个泡沫在接触到固体或液体界面时会接近于半球形。当这些半球形气泡爆裂时，通过两个步骤创建出一串小气泡。由此产生的小气泡虽早已司空见惯，但这些小气泡串到底是怎样产生的却从未有文献报道过。伯德认为，气泡的曲面特性在此过程中起着关键的作用，因为这种形状会导致气泡内部压力高于外部。一旦气泡打破平衡（如爆裂），表面张力就会产生一个向内的合力。第一步，气泡收缩时，作用在气泡上的力会引起泡膜罩住自己，因此在圆环面内陷出一个空气气囊。第二步，表面张力将这个气囊破裂成一串更小的气泡，这就像是淋浴头中的细小水流会因表面张力而成为一个个的水滴。不过，这种级联效应是短暂的，在迄今为止的实验中发生次数不超过两次。最小的气泡不再形成球形帽并重新融入液体，这就是级联的结束。过程精美而复杂由于爆裂过程发生得太快，以至于用肉眼根本无法看到。研究小组利用高速摄影机拍摄了气泡的破裂过程。基于观测到的视频，他们构建了一个数学模型来测试和复制他们的实验假设。气泡破裂背后的物理学过程似乎完全不受气泡材料的影响。研究人员惊奇地发现，在像油这样的粘性液体中仍能观察到小气泡串效应，甚至在粘稠度达至5000倍的水溶液中依然如此。伯德希望继续在熔融玻璃、岩浆和泥浆等更多特异性材料中研究类似的破裂效应。虽然了解气泡如何破灭也许在近期内无法提供任何实际应用，但研究人员期望，了解如何从较大的气泡创建出小气泡，未来某一天也许可帮助了解各个领域。 “我们为为何会观察到这些小气泡串提供了一个一般性的解释，”论文共同作者、普林斯顿大学机械和宇航工程教授霍华德·斯通说，“我们认为，这项研究的重点之一是大气泡在气雾形成中的作用。” 众所周知，当小气泡在液体表面破裂时，会向上喷射小液滴。这种效应在碳酸汽水中很容易观察和感觉到。以气泡作介导的气雾剂也与健康和气候方面的应用相关。这些液滴可将海洋等大片水域中的、诸如可溶性气体或盐等任何传导性材料传递到空中。在家中就可一试 “许许多多的尖端科学成果必须利用专门的设备或仪器才能观察到。我之所以热爱此项研究，是因为任何人在他们的厨房里就能看到整体效果，”伯德总结道，“这虽是一个相对简单的效果，但你最终可观察到美丽的图案，得到具有普遍意义的结论。” 尖端科学通常不是任何人就能在居家厨房中就能完成的。但是，在6月10日《自然》杂志上刊登的此篇文章中出现的那些灵感，只要你准备一些肥皂水、一块玻璃和一根稻草，就可以迅速复现出来。要尝试做这个实验，你只要将稻草的一头浸入水中，使其沾上肥皂水，然后将其放置在玻璃上，同时吹稻草的另一端，在玻璃上创建出一个约2厘米至3厘米大的半球形泡沫。现在，你只需静静地等着泡沫破裂，如果你等得不耐烦了，也可以用手把它弄破。围着泡沫边缘仔细观察，你就能看到那串美丽的小气泡。; 个人分类: 趣说空泡|7040 次阅读|5 个评论

趣说空泡（11）：香槟酒的奥秘: 热度 5 upflyzhang 2012-11-5 04:14; 趣说空泡（ 11 ）：香槟酒的奥秘张宇宁香槟酒，原产于法国香槟地区，是经过两次发酵而生产出的富含二氧化碳的葡萄酒。香槟酒由于其独特的气泡成为庆祝仪式上的理想用酒。例如，一级方程式锦标赛（ F1 ）比赛结束后的颁奖仪式上一定会开香槟庆祝（见图一）。打开香槟酒的时候，酒塞通常会迅速的喷出，并伴随着一声巨响，同时大量的气泡喷涌而出，场面非常壮观（如图二）。本文主要介绍与香槟酒中的气泡相关的一些有趣研究。图一某 F1 比赛后的颁奖仪式上选手们开香槟庆祝。图二高速相机拍摄到的香槟酒打开的过程。两幅图片间隔为 10 毫秒。 Copy right: EPJ ST 将香槟酒倒入杯中时，会有大量的气泡产生。按照气泡产生的机理的不同，可以分为过饱和，自然初生和人工初生三大类。过饱和：在香槟酒的发酵过程中产生了大量二氧化碳，这导致在未开封的香槟酒中二氧化碳过饱和。当瓶塞打开时，由于气压变低，二氧化碳的溶解度随之下降，原来溶解在其中的气体便以气泡的形式源源不断的冒出来。自然初生：在酒杯没有经过特殊处理的情况下，如果仔细观察气泡在酒杯中产生的位置，会发现有些气泡附近有中空的，圆柱形的植物纤维。这些植物纤维长度大概是 100 微米左右，管口的直径约几微米，主要是用布等对酒杯进行清洁时留下的，由于静电效应等附着在杯壁上。当将香槟酒向酒杯中倾倒时，香槟酒与植物纤维接触，由于这些植物纤维内部中空，可以存留一定量的气体，是产生气泡的理想场所（见图三）。图三三种典型的附着在酒杯壁上的植物纤维在倾倒香槟酒时产生的气泡。 Copy right: Bubble Sci Eng Tech 人工初生：为了增强香槟酒的视觉效果，强化气泡的生成，有些酒杯被刻意的采用酸蚀或者激光等工艺弄花（如图四）。当向这些特殊处理过的酒杯倒入香槟酒时，蚀刻过的地方就会源源不断的涌出气泡。主要是因为蚀刻处理后的部位表面较为粗糙，根据气泡的初生理论（见图五），当倒入香槟酒时，这些部位便很容易成为气泡的产生场所（见图四 c ）。当酒杯内部有划痕时，也可以产生类似的效果。图四（ a ）采用激光蚀刻技术在酒杯杯底形成一个环形的花纹；（ b ）单束激光形成的蚀刻（标尺： 100 微米）；（ c ）将香槟倒入蚀刻过的酒杯时产生的空泡（标尺： 1 毫米）。 Copy right: Bubble Sci Eng Tech 图五非均匀性的气泡初生理论的物理模型。图片来源 Brennen (1995, Fig.1.6c). Copy right: Cambridge University Press. 最后，我们来对比一下向经过蚀刻处理和未经蚀刻处理的酒杯倒入香槟酒后内部的流场（见图六）。经过蚀刻处理的酒杯，其蚀刻处（酒杯底部）源源不断的涌出气泡。而未经过蚀刻的酒杯的流场则显得相对杂乱。图六向经过和未经过蚀刻处理的酒杯中倾倒香槟酒后产生的内部流场的对比。左侧：未经过蚀刻处理的酒杯；右侧：经过蚀刻处理的酒杯。延伸阅读《趣说空泡》系列博文目录; 个人分类: 趣说空泡|11877 次阅读|12 个评论

趣说空泡（10）：利用空化效应的碳纳米管切割技术: upflyzhang 2012-10-31 21:10; 利用空化效应的碳纳米管切割技术张宇宁英国华威大学碳纳米管自 1991 年被发现以来，由于其独特的性质（超常的强度，良好的柔韧性，高熔点等等）引起了学术界的广泛关注。例如， 2012 年 10 月 29 日， IBM 的科学家宣称采用主流半导体工艺第一次将一万多个碳纳米管制作的晶体管精确地放置在了一颗芯片内，并通过了可行性测试，迈出了纳米材料取代硅的第一步。工业生产出来的碳纳米管的微观特性（如长度，直径等）参差不齐，需要进一步的分离和纯化。近年来，声处理用于对碳纳米管进行切割。在此过程中，空化效应扮演着重要的角色。本文主要介绍跟空化效应有关的碳纳米管（见图一，主要是单壁碳纳米管）的声处理技术。图一单壁碳纳米管在声场的作用下（一般 20kHz 的低频超声），溶液中气泡（大概几十微米）附近的压力场发生剧烈变化，从而引起气泡的震荡。由于微米尺度的气泡通常是球形的，气泡的震荡模式主要是径向的（即沿着气泡中心到气泡边缘的方向），在气泡附近形成一个来回震荡的速度场，从而使气泡附近的碳纳米管被切割。从实际应用的角度讲，碳纳米管的长度（ L ）与声场作用时间（ t ）的关系是一个非常重要的信息。实验发现， L 和 t 存在下列的关系其中， m 为指数。但是，不同的实验（实验结果见图二）给出的 m 值却有显著差异，有的为 0.22 ，有的为 0.5 。图二碳纳米管长度随着声处理时间的变化。Copy right: J. Phys. Chem. B 其中的原因直到 2012 年 7 月 17 日出版的《美国科学院院刊（ PNAS ）》中的一篇文章才被很好地解释。该文作者通过数值模拟发现不同长度的碳纳米管在气泡产生的流场下的动力学行为有显著区别（见图三）：短碳纳米管：在气泡流场的作用下会发生旋转，长度的方向与气泡的径向一致。由于在碳纳米管的两端的速度场不同（离气泡较近的一端速度比离气泡较远的一端大），碳纳米管在该流场的作用下不断的伸缩，从而导致最终被切断。长碳纳米管：在气泡流场的作用下，其长度方向与气泡的切线方向一致。由于流场的作用，碳纳米管被压曲，从而导致断裂。图三长和短碳纳米管在气泡流场下的不同动力学行为。Copy right: PNAS 这两种不同的模式解释了为什么不同实验中的系数会有很大的差别。延伸阅读《趣说空泡》系列博文目录; 个人分类: 趣说空泡|7067 次阅读|0 个评论

介绍一个以气泡的研究为核心的专业性杂志: upflyzhang 2012-10-19 04:49; 看名字就知道了，主要是刊登跟气泡相关的研究，2008年成立的，据我所知，好像是唯一一个以气泡为核心的学术杂志。 Bubble Science, Engineering Technology ISSN 1758-8960, Online ISSN: 1758-8979 Publisher: Maney publishing Established in 2008 2 issues per year Journal website http://www.ingentaconnect.com/content/maney/bub Editor: Professor Mohan J Edirisinghe (University College London, UK) Co-editor: Professor Carlos Martinez (Purdue University, USA) Introduction of Journal (directly adapted from their website) Bubble Science, Engineering and Technology is a unique multidisciplinary resource which publishes high quality innovative research on the generation, properties and applications of bubbles in the life and physical sciences, engineering and medicine. There is rapidly growing interest in the production and control of bubbles in numerous disciplines. Suspensions of stable gas microbubbles play a vital role in the food, cosmetics and pharmaceutical industries, as well as in biotechnology, environmental engineering, and minerals and materials processing. In molecular biology, microbubbles are central to the mesoscale self-assembly of smart materials, microfabrication and DNA-driven assembly. Microbubbles have also shown great promise in therapeutic applications such as targeted drug delivery, gene therapy, thrombolysis and ultrasound surgery, and are the most effective type of contrast agent available for ultrasound radiography. Recent developments in processing, diagnostics and therapeutics have generated a greatly increased need for advanced preparation technologies that provide a high degree of control over microbubble characteristics. Achieving these objectives requires multidisciplinary collaboration and Bubble Science, Engineering and Technology provides an effective resource for researchers in bubbles research to facilitate these interactions.; 5211 次阅读|0 个评论

“起跑线”，到底有木有？: 热度 20 boxcar 2012-6-1 20:40; 刚才，看到王晓钢老师写的博文“ 六一给孩子们的祝福：拆掉起跑线！ ”【 1 】，让俺有一次产生了狠批“万恶”的“起跑线”的冲动。因为，一句“不能让孩子输在起跑线上”，在催生出一个庞大的“办班经济”、创造出巨大的 GDP 的同时，也差不多从根本上毁掉了正常的认知规律和教育秩序，甚至悄然改变了不知多少个孩子的人生轨迹。于是我斗胆反问一句——“起跑线”，到底有木有？！据俺估计，就我提的这个很“若智”的问题，肯定不会有官方回答。不过没关系，俺是可以自问自答。当然，答法自然又是很“喆学”的“撷英”。毫无疑问，在举办径赛的运动场上，起跑线肯定是有的，而且不但有起跑线，还有发令员，在一声枪响或者电子蜂鸣器吱的一声过后，运动员们才可以迅雷不及掩耳盗铃之势冲将出去，直奔终点线的。在体育比赛中，恐怕从来没有谁真正拿“赢在起跑线上”或者“输在起跑线上”来论证最后的比赛成绩。因为即使借助了起跑器的电子信号比对和高速摄影，最多也仅能帮比赛中失利的运动员找到一种影响成绩和名次的原因而已。起跑线上的图片和录像资料，用来警告甚至罚下一个抢跑的运动员或许算是个比较充足的证据，但绝对不能用来证明最后一定可以成功。然而很不幸，据说为了别“输在起跑线上”，太多的家长选择了“一切要趁早”的疯狂提速甚至积极帮孩子“抢跑”。比赛中连续抢跑的后果是被罚下，可在教育的“起跑线”上抢跑咋就如此安全呢？因为所谓的“起跑线”，其实并不是严格的、真实存在的东西，从这个意义上讲，“不让孩子输在起跑线上”纯属人为问题（即伪问题）。人生根本就不是一场可以划定跑道和比赛场地、限定比赛时间和规则的比赛或者游戏。如果一定要去给人生划定轨迹、规定方向甚至限定唯一的目标，然后在这种严重趋同的架构下去比拼、去进行一场惨烈的竞争，那么多数参与者的结局是成为很可悲的“碌瑟”（失败者），或许只有少数幸运儿能够成功。倘若从小就划定唯一的“起跑线”，然后再设定一个长大之后的“终点线”——成功标志，却并不为比赛制定严格的规则，甚至连同时起跑这种最基本的公平要求都没有，例如，无法在“起跑”是做到“齐跑”，也不约定随后的比赛中大家只许用自己的双腿去跑，而不许“骑”马或者摩托车跑，就可想而知一场比赛会乱成神马样子了。对于不合理、不公平的比赛，在“起跑”之后，或许只能选择“弃跑”了。即使没“弃跑”，而是选择了不屈不挠地继续跑下去，希望能够坚持到终点，途中面对别人的“欺跑”（不按规则玩）也难免要“泣跑”（边哭变跑）。在俺看来，大力宣扬传说中的“起跑线”，其实大有吹“气泡”忽悠人的嫌疑，所以不妨称之为“气泡嫌”。试想，就在家长和孩子们被办班者们鼓动着津津乐道于“不输在起跑线上”的同时，有多少人真正意识到，在经历过一轮又一轮的“抢跑”突击让自己终于“赢在了起跑线上”，但经历此后日益严重的“应试训练”的智力、体力、注意力、意志力的透支之后，赢到了“重点线”的人还能剩下多少？参考：【1】王晓钢：六一给孩子们的祝福：拆掉起跑线！ http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=39346do=blogid=577435; 个人分类: 教育|4708 次阅读|44 个评论

[转载]奇特蜗牛展示特殊技能自制气泡筏海中冲浪(图): westcotthc 2012-4-12 19:37; 北京时间 2011 年 10 月 25 日消息，据美国国家地理网站报道，一些蜗牛种群利用粘液包覆空气制造气泡筏，而后借助气泡筏在海水中 “ 冲浪 ” 。它们如何进化出这种怪异的生活方式一直以来就是一个不解之谜。美国科学家经研究发现，这种制造气泡筏的蜗牛种群由一种底栖蜗牛进化而来，名为 “ 梯螺 ” ，仍然生活在地球上。　　 1. 蜗牛也 “ 冲浪 ” 蜗牛也 “ 冲浪 ” 　　一只紫罗兰色蜗牛 ( 学名 “Janthina exigua”) 悬挂在漂浮的自制粘液气泡筏下面。很久以前，科学家就观察到蜗牛利用这种气泡筏在海水中 “ 冲浪 ” 。粘液筏拥有很多功能，除了充当一个漂浮装置外，还是卵存储区和幼仔的活动平台。美国密歇根州大学安娜堡分校的博士生赛利亚 - 邱吉尔表示，地球上利用粘液制造气泡筏的蜗牛种群共有不到 10 种，它们如何进化出这种怪异的生活方式仍旧是一个谜。　　邱吉尔一直怀疑气泡筏行蜗牛从一种可以产生充满粘液的卵块的底栖蜗牛进化而来。为了找到气泡筏行蜗牛血缘关系最近的近亲，研究人员对它们以及其他潜在亲属的 DNA 进行排序，同时利用分子技术描绘出系谱图。研究结果显示气泡筏行蜗牛由一种名为 “ 梯螺 ” 的底栖蜗牛进化而来，后者仍然生活在地球上。这两种蜗牛都能利用身体底部的器官分泌粘液，所不同的是，气泡筏行蜗牛并不形成卵块，而是利用快速硬化的粘液制造筏子，被气泡包裹。研究发现刊登在《当代生物学》杂志上。　　 2. 搭便车搭便车　　一只身躯巨大的雌蜗牛 ( 学名 “Recluzia cf. jehennei”) 猎捕栖息在气泡筏上的僧帽水母。此外，一只微小的搭便车蜗牛依附在气泡筏下面。在研究 Recluzia 蜗牛时，邱吉尔发现微小的搭便车蜗牛依附在雌蜗牛的气泡筏下面。她说科学家此前从未观察到这种现象。由于体型太小，邱吉尔和同事无法确定这些搭便车者的性别，但他们认为有可能是雄性。一旦在空旷的海域发现雌蜗牛，它们就依附在气泡筏下面。　　蜗牛是雌雄同体，也就是说，这些雄蜗牛也最终变成雌性，而后利用自己制造的气泡筏漂走。邱吉尔说： “ 它们的生命从幼虫开始，而后变成幼仔，再变成雄性，最后变成雌性。 ” 虽然在人类看来非常怪异，但这种性别转换在蜗牛家族却司空见惯。邱吉尔的研究获得美国国家地理学会研究与探索委员会的资金支持。　　 3. 用餐进行时用餐进行时　　照片在夏威夷海域拍摄，一只紫罗兰色气泡筏行蜗牛正在享用僧帽水母。邱吉尔和同事提出了一项理论，解释这种蜗牛的祖先底栖蜗牛如何进化出筏行能力。他们认为，一只生活在海岸附近的雌性底栖蜗牛及其卵块可能曾被海浪暂时 “ 载运 ” ，导致其在短时间内筏行。最终，这个祖系进化出利用粘液制造气泡的能力，而后演变成气泡筏。　　邱吉尔指出： “ 很明显，制造气泡并聚集成筏子的能力并不是一夜之间进化出来的。经过长时间的进化，它们最终进化出将大量气泡聚集在一起，形成一个筏子的能力。 ” 从底栖到气泡筏行的进化让蜗牛可以获取水面的食物。这是一种生存优势，因为水面的竞争压力很小。 4. 无卵漂浮无卵漂浮　　一只雌性紫罗兰色蜗牛，学名 “Janthina janthina” 。这是一种最常见的气泡筏行蜗牛。此外， J. janthina 也是唯一一种在体内孕育幼仔，而不是将卵囊产在筏子上的气泡筏行蜗牛。邱吉尔说： “ 科学家认为这是一种适应能力，更适于在海面生活。 J. janthina 的气泡筏浮力更大，不会因为卵囊的重量下沉。 ” 　　 5. 寄生的蜗牛寄生的蜗牛　　一只雌梯螺和它的卵块栖息在珊瑚宿主上，另一只矮雄蜗牛悬挂在附近。气泡筏行蜗牛的底栖近亲梯螺拥有非常独特的生活方式。它们是一种皮外寄生物，吃住在宿主的外皮上，通常是珊瑚或者海葵。邱吉尔指出雌梯螺利用粘液将卵粘在一起形成卵囊。　　 6. 展开攻击展开攻击　　一只 Janthina janthina 蜗牛正在享用水母。除了雌雄同体外，气泡筏行蜗牛的生殖周期也是一个谜。科学家知道雄蜗牛必须找到雌蜗牛，释放它们的精子。邱吉尔说： “ 由于它们漂浮在海面上，你一定会对雄蜗牛寻找雌蜗牛的过程感到非常吃惊。 ” 雌蜗牛可能将卵产囊产在筏子上，卵最后孵化成自由游动的幼虫。　　 7. 留下痕迹留下痕迹　　邱吉尔指出，紫罗兰色蜗牛可以分泌紫色染料，将人的手指弄脏，就像照片所展现的那样。这种染料可能帮助它们抵御捕食者。她说： “ 科学家并不十分清楚紫色染料的功能。在受到打扰时，气泡筏行蜗牛和梯螺都会分泌这种染料，可能是对干扰的一种反应。 ” 美丽的气泡筏行蜗牛壳经常被冲上海滩。邱吉尔说： “ 在世界各地的几乎所有海滩，你都会发现这种美丽的蜗牛壳。 ” 原文地址：http://tech.sina.com.cn/geo/animals/news/2011-10-25/0926940.shtml; 个人分类: 奇趣气泡|3578 次阅读|0 个评论

空泡坍塌总是产生激波吗？: westcotthc 2012-2-8 19:45; 曾经看到一篇讨论如题的文章： Are shock fronts always present in pressure waves radiated by cavitation bubbles? 为了论证这个命题，作者进行了电火花空泡实验，得到了一些结果：当相对压力 Pzp190 时，空泡坍塌产生的压力波头的上升很急剧，大约不到 1us ，而当 Pzp190 时，形成的压力波头上升较平缓，已经不再具有激波的特征。在排除了测试仪器精度的因素后，作者没有进一步给出对这种现象的解释。这里发表一点自己尚不成熟的看法。气泡坍塌后的回弹实际上是一个先加速再减速的过程（这个现象在计算 Rayleigh 公式的数值解时，时间步取很小的情况下可以很容易看到），其临界点应该就是压力平衡的时刻，前一个阶段所经历的时间相当短暂，在水中形成压缩波。当气泡的强度较大时，气泡坍塌较剧烈，加速阶段的时间较长，根据特征线理论，压缩波汇聚将形成激波；而当气泡的强度较小时，这个加速的时间较短，激波来不及行成，是不是可能导致波头上升较缓慢呢？另一方面，气泡的坍塌和回弹过程中， RT 不稳定性也起着很大的影响，气泡的主要能量损失都是在这里消耗的，因此可以看到强度大的气泡形成的激波衰减得更快，形成很陡峭的冲击波头，而强度小的气泡形成的压力波则衰减较缓慢。 Figures are cited from Karel Vokurka's report.; 个人分类: 学习心得|5879 次阅读|0 个评论

趣说空泡（6）：南美蜥蜴的“水上漂”: 热度 1 upflyzhang 2012-2-6 12:16; 南美蜥蜴的“水上漂” 张宇宁 “水上漂”绝技相传是达摩祖师创立，《少林武术大全》记载：“在水里内气上提，踩水，手足不停地运动，用足踏水” 。武侠小说中有很多关于“水上漂”绝技的描写。金庸大侠的小说《射雕英雄传》中的人物“铁掌水上飘”裘千仞也是因该绝技驰名武林。 “ 水上漂 ” 绝技是杜撰出来的，现实中并不真实存在，即使在武侠小说中，真正掌握了“水上漂“绝技的也是凤毛麟角。图一在水面漂浮的水黾虽然对人类来讲，“水上漂”是非常不可思议的。但对蜘蛛，水黾等小动物来讲，却是司空见惯的家常便饭。图一显示了一个漂浮在水面上的水黾。它们之所以能够在水面上漂浮，主要是因为其体型非常小，重量轻，不会破坏水面的表面张力。日常生活中，硬币，曲别针等物体也可以漂浮在水面上，其中的道理也类似。通常，能够漂浮在水面上的一般都是水黾等小动物。 2009 年， BBC 的摄影师在南美洲的热带雨林中拍摄到一种名叫侏儒壁虎的蜥蜴（图二），个头非常小，从头到脚长度只有 2 到 4 厘米，这种蜥蜴也可以漂浮在水面上，并不会打破表面张力。这项技能对于它在巴西亚马逊河热带雨林的生存至关重要，因为这里降雨非常多，一些小水洼都可能将其溺毙。此外，这种侏儒壁虎的皮肤还有防水的功能，这也使得它们遇到水洼时能够在水面行走。图二侏儒壁虎对于稍微大型一点的动物来讲，“水上飘”的功夫也并非遥不可及。蛇怪蜥蜴（图三）是非常罕见的一例。蛇怪蜥蜴常常被称为是 “ 耶稣蜥蜴 ” ，其身体较轻，主要以小昆虫为食。每天蛇怪蜥蜴都要晒太阳以保持体温，这就使得它们非常容易被捕食。当遇到危险时，有 20% 的情况下他们会在水面快速奔跑，其他情况则游泳逃生。 2004 年，美国科学院院刊报道了一项来自美国哈佛大学的研究成果。研究人员采用数字粒子成像测速法测量了蛇怪蜥蜴在水上奔跑时水中的速度分布，从而推断出蛇怪蜥蜴奔跑时所产生的力的大小和方向等并进行定量分析。结果显示，蛇怪蜥蜴的动作可以分为两步，分别为拍击和划水。蛇怪蜥蜴所产生的力主要有三个方向：垂直方向的力使其浮在水面上，向前的力推动其身体向前运动，而横向力则令其身体保持平衡。拍击过程产生较大的垂直方向的力，为其自身的重量的 113% ，使其不至于下沉，但在划水过程中，产生的垂直方向的力却很小，仅为其体重的 39% ，但由于惯性的作用，蛇怪蜥蜴的身体依然可以保持在水面上。拍击和划水过程中产生的推进力差不多，拍击过程产生的推进力略大。此外，蛇怪蜥蜴在水面上奔跑时能够产生很大的横向力，为其体重的 37%-79% ，并且在其双足交换划水时相应的改变方向，使其身体在快速奔跑过程中仍能保持平衡。蛇怪蜥蜴划水时会在足部周围产生气泡，在划水过程中，足部一直被气泡包围，直至其划出水面。蛇怪蜥蜴的脚趾细长，脚底下覆盖有鳞片，蛇怪蜥蜴的这种身体构造有利于它们在水面上奔跑时产生气泡。另外，由于蛇怪蜥蜴奔跑的速度非常快，因此它的爪子接触到水面的时候，能够迅速产生气泡。 2009 年，英国 BBC 电视台摄像师也观察到了野外蛇怪蜥蜴在水面奔跑时会产生气泡。他们采用 2000 帧 / 秒的速度拍摄野外蛇怪蜥蜴在水面奔跑的过程，拍摄地点在距离南美洲洪都拉斯首都 60 公里的热带雨林。蛇怪蜥蜴特殊的身体构造成就了其“水上漂”的绝技，令其在动物界卓尔不群。图三蛇怪蜥蜴对人类来说，理论上讲 “ 水上漂 ” 是不可能练成了，但借助于木板等进行 “ 水上跑 ” 却是有可能的。最近，南少林武僧释理亮进行了类似的表演。首先用包装绳把长 0.8 米、宽 0.6 米、厚约 0.8 厘米的轻薄三合板连成一条 “ 水道 ” ，然后释理亮在上面奔跑直到落入水中为止（图四）。 2012 年 1 月 11 日，释理亮跑出了 40 米的成绩，他的下一个目标是 50 米。其实“水上跑”对人类来讲也着实不易，要求脚步轻，动作快，平衡掌握的好。释理亮每天用装满沙子的布袋和钢条绑在腿上进行训练。为了练胆量和培养平衡能力，释理亮还在悬崖峭壁上、围墙上或在高楼上不过 10 厘米宽的护栏上练习跑步。看来即使想练就 “ 水上跑 ” 也绝非易事呀。图四少林武僧释理亮的表演延伸阅读《趣说空泡》系列博文目录; 个人分类: 趣说空泡|10281 次阅读|4 个评论

气泡动力学研究方法及进展 Part 4: westcotthc 2011-11-3 13:00; 1. 数值模拟研究气泡运动的数值模拟方法是从上世纪 70 年代前后开始出现的( Plesset 1967 )。采用数值技术模拟气泡非球形坍塌的好处是很明显的，水下爆炸实验比较复杂，难于实施，且只能得到粗略的结果。而当在流场中加入重力场和 / 或边界时，气泡的形状将不再是球形，因此 Rayleigh-Plesset 方程的假设也不再成立，而且对球对称模型进行摄动求解对于不规则的大变形情况通常是无效的。数值解则可以用于校对结果，并提供细节信息，数值方法还可以研究实验无法进行的情况。在气泡动力学领域中，边界积分法无疑是应用最成功、最广泛的方法。由于具有降维和拉格朗日性质，边界积分法的计算量小且精度较高，在模拟三维复杂几何形状边界面问题（如气泡运动）或者自由表面流时有其独特的优势。因此，为配合论文的研究内容，在此主要叙述边界积分法的应用发展情况。边界积分法首先被 Blake 、 Chahine 等人成功的应用于空化气泡模拟研究，随后， Wilkerson 将该方法引入水下爆炸气泡的数值模拟，经实践证明其对水下爆炸气泡模型的计算结果与实验数据吻合良好。经过二十多年的发展，对于气泡运动模拟中遇到的各种困难，人们对模拟方法进行了不断改进和完善，使边界积分法在水下爆炸领域的应用得以持续发展。为了求解气泡的表面速度，法向速度可由气泡表面定义的法向矢量获得，而切向速度则需通过沿边界面的速度势导数值及其插值计算获得。 Wilkerson (1990) 、 Chahine 等 (1988) 采用多项式插值，切向速度分量是由沿着气泡表面的速度势切向导数值确定。 Harris(1992) 提出了在边界面上用线性近似平均法求节点的法线方向的方法，通过节点周围单元的平均法线值可以得到节点法线的近似值，但这些方法的精度比较低，在细化网格时，方程的解不收敛。 Tong (1997) 采用径向基础函数代替多项式来近似气泡表面速度势，提高了近似计算的精度，然而该方法也具有局限性。 Zhang 等 (1998) 提出了以九节点单元为基础的三变量插值方法，但是这种方法有时会变得相当繁琐，随后他们又提出了一种新的简单、有效的方法，解决了问题。其基本思想是：尽管多面体 ( 离散的边界面 ) 的顶点的法线是不确定的，但是每个三角形面单元上的法线是可以确定的，由边界方程可以解出每个单元的法向速度，通过有限差分方法，就可以获得沿单元两个切线方向的速度，从而计算出在每一个具有确定节点的单元上的速度向量。在三维模拟方面， Wilkerson (1990) 应用对时间积分的边界积分法实现了气泡动态特性的三维数值模拟，但大量计算的网格动边界使计算气泡变得十分不稳定，针对这个问题， Zhang 等 (2001) 基于最小二乘法发展了三维局部曲面光顺方法，消除了计算过程中出现的高频局部波动，有效的抑制了计算过程中由于网格扭曲而引起的数值发散。当气泡的变形较大时，大多数单元将集中到射流形成的区域，导致射流区网格过密，而非射流区网格过稀，引起计算过程的网格畸变，针对这个问题 Wang 等 (2003) 提出了网格调整技术 (EMT) ，假定网格段是弹性的，弹性网格将每个时间步内储存在网格线段中的能量总和降到最低，从而优化网格，使得气泡演化过程中的网格更加均匀，计算更稳定。对于射流冲击形成环状气泡的过程， Best (1993,1994) 采用切割技术，将气泡从原始的单连通域过渡到射流冲击之后的多连通环形气泡，在气泡内布置一涡环代替涡面模拟了二维气泡的环状阶段。 Zhang 等 ( 1994) 在气泡的环状阶段定义了一个层来分离射流区和周围的流场区，这个层充当一个涡流面并随着流体运动，由于层的变形不能越过气泡表面，这使得在追踪表面时碰到很大的困难。为解决这个问题， Wang 等 (1996) 采用切割技术将气泡从原始的单连通域过渡到射流冲击之后的多连通环状气泡，在气泡内布置一涡环代替涡面模拟气泡的环状阶段，这样可以无需追踪涡面的运动，只需确保在气泡运动时涡环一直在气泡内。随后， Zhang 等 (2001) 将涡环用于三维环状气泡的模拟，实现了三维气泡的膨胀、坍塌、射流、回弹整个过程的数值模拟。在气泡与结构的相互作用方面，起初的模拟大都为气泡与刚性边界、自由面等理想边界的相互作用，如 Blake (1987) 、 Chahine (1988) 、 Zhang 等 (1993) 、 Wang 等 (1996) 等人的工作。近年来，随着流固耦合研究的发展，人们将边界元法与有限元法耦合起来计算，取得了较好的效果，如 Klaseboer 等 (2005) 、张阿漫等 (2006) 采用边界元法与有限元求解器耦合求解，分别计算分析了船体在水下爆炸气泡作用下的局部响应和鞭状响应。; 个人分类: 学习心得|8381 次阅读|0 个评论

气泡动力学研究方法及进展 Part 3: 热度 1 westcotthc 2011-11-3 12:51; 1. 理论研究早期的气泡动力学理论研究主要集中在水下爆炸方面 (Lamb 1923 、 Herring 1941 、 Kirkwood Bethe 1942 、 Cole 1948 、 Gilmore 1952 、 Trilling 1952) ，后来逐渐发展到空化气泡 (Plesset 等 1977 、 Blake 等 1987) 。近年来，受计算方法发展的影响，水下爆炸气泡的理论研究再次引起了人们的兴趣。下面就着重回顾前人的一些有关气泡在无限流场和边界附近动态特性的工作。 1.1 球形气泡动力学模型 Besant(1859) 首先对气泡进行了理论研究，发现了理想、无限流场中球形气泡的坍塌时间。 Lord Rayleigh (1917) 对这个气泡模型进行了改进，加入了气体的等温状态方程，并得到了由于膨胀运动产生的不可压缩流体动能。 Plesset(1949) 、 Noltingk(1950) 、 Neppiras(1951) 、 Poritsky(1952) 在空泡问题中分别发展了这个运动方程，使气泡动力学的理论研究达到了一个里程碑， Lauterborn (1976) 建议把这个方程称为 RPNNP 方程，以此来纪念 Rayleigh 、 Plesset 、 Noltingk 、 Neppiras 、 Poritsky 这五个人的贡献，也就是现在为人们所熟知的 Rayleigh-Plesset 方程：简化的 Rayleigh-Plesset 方程常常用于验证数值模型 (Wilkerson 1990 、 Chahine 1995 、 Wang 等 2004) ，在某些情况下，即使在忽略流体可压缩性和气泡表面的变形运动时，它仍然能够较好的预测气泡的运动。然而， Rayleigh-Plesset 方程的推导过程中采用了许多简化和假设约束，如气泡始终保持为球形、气泡内均匀、流体不可压缩、不计体力、输运和热传导等。 Prosperetti (1986) 的一系列工作表明：对于小气泡（平均半径 1 cm ），热传导和粘性的影响是主要的，如空化气泡；而对于大气泡，流体可压缩性的影响是主要的，如水下爆炸气泡。对于考虑流体可压缩性的气泡运动，大致存在三类近似模型，分别以不同程度引入了流体可压缩性。在声学近似模型中，假设流体中声速为一个有限的常数，只能够描述气泡脉动过程中能量的声辐射耗散，因此在本质上仍局限于不可压缩流。而 Herring-Trilling(1952) 近似模型中也采用了有限声速的假设，但是他考虑了流体压缩所储存的能量，可以准确的描述膨胀率较低的气泡的坍塌，由下式给出：以上这几种模型都没有考虑气泡内部波系的影响，因此， Geers Hunter (2002) 提出了一个统一模型 (consolidated model) ，把水下爆炸气泡的运动过程看成由冲击波和脉动两个阶段组成，前者作为后者的初始条件。脉动阶段气泡的半径和垂直迁移速度由双渐进近似模型给出：这个模型虽然带有一定的经验性质，但它同时考虑了气泡内部和外部波系的影响，从而能够更加精确的预测气泡在流体中的脉动和迁移。因此，在论文的数值模拟计算中也将采用类似的思想，即以爆轰形成初始气泡的状态作为气泡后续运动的初始条件，来模拟非球形装药水下爆炸气泡的运动过程。 1.2 考虑边界影响的气泡动力学模型由于流体介质总是要受到各种自然边界或人为边界的限制，气泡及其周围流场的运动必须发生改变来满足对应的边界条件。因此，当气泡在边界附近运动时，边界产生的压力场将传给气泡并影响气泡的运动。最早采用的研究方法是映像法，其思想是将气泡边界的运动看成气泡的径向脉动和气泡中心平移速度的叠加，而边界的影响则用映像点源或点汇来实现 (Cole 1948 ， Shima 1981 ， Soh 1992) ，这类方法过于简化，由于无法考虑气泡运动过程中的非球形效应，因此对于射流等现象难于研究。随后， Chahine Bovis (1981) 采用小参数（气泡初始半径与气泡中心到边界距离之比）对速度势作匹配渐进展开，以压力场的奇异摄动表征气泡的变形，研究了固壁附近非球形气泡的运动，包括气泡坍塌时产生的压力场，发现气泡内初始压力对气泡运动的影响和的同样重要。然而，这种方法在不满足，即初始气泡很接近边界时失效。 Benjamin Ellis (1966) 从另一个角度研究了边界附近气泡的运动，将开尔文冲量用于描述气泡的惯性现象。 Blake 等 (1987) 则进一步奠定了该方法的理论基础，并结合实验和数值模拟做了大量的工作，使气泡与边界相互作用的研究向前推进了一大步。开尔文冲量是根据势流理论推导出的用于表征气泡运动状态的一个量，它的实质就相当于气泡的动量，能够有效的预测气泡坍塌迁移的方向，气泡的开尔文冲量定义为：因此，与时间相关的开尔文冲量体现了浮力和边界对气泡的 Bjerknes 力作用，即决定了气泡的运动方向，从而能够预测射流的形成位置和方向。但是，这种方法也是以点源和点汇来表示流场，气泡始终是球形，并且只能考虑轴对称情况，因此也具有一定的局限性。总之，气泡在边界附近形成射流的机制在很大程度上受到边界性质（如刚度、惯量等因素）的影响，这是一个尚在研究中的课题，目前尚难以给出一个综合考虑各种因素的广义模型，相应的工作更多的是借助于数值模拟在进行。; 个人分类: 学习心得|15496 次阅读|2 个评论

气泡动力学研究方法及进展 Part 2: 热度 1 westcotthc 2011-6-18 23:04; 注：本文为作者原创，如需转载，请注明出处。 1 实验研究大量物理和工程问题中出现的气泡现象已经被科学家们研究了多年。由于同样具有破坏性以及工业上和军事上的需求，空化气泡和水下爆炸气泡很早就为人们所注意。这两种气泡的破坏能力与它们的坍塌机制有关，并且由于它们的宏观特性是相似的，因此往往被放在一起讨论，下面就从实验的角度来阐述这两种气泡研究的进展。 1.1 空化气泡的实验研究 1894 年，在英国第一艘驱逐舰的海试过程中， Thornycroft 和 Barnaby 发现驱逐舰的螺旋桨存在强烈振动，他们把这种现象归因于螺旋桨旋转所产生的气泡，这就是今天为人们所熟知的空化气泡。到了上世纪 50 年代，工业生产中的空蚀问题在实践中凸显出来，低压生成的小气泡在液压机表面产生的凹坑导致了机器效率的降低，这更加激发了人们的研究兴趣。为了研究气泡，首先必须人为地制造出气泡，迄今为止，人们主要采用过三种获得气泡的方法，分别是动力冲击法 (Kinetic Impulse) 、电脉冲法 (Spark Discharge) 和激光脉冲法 (Pulsed-laser Discharge) 。动力冲击法的基本原理是：将蒸馏水脱气处理后，利用物理冲击和惯性在水中瞬间产生张力，使电解得到的氢核生长形成气泡。 Naude Ellis (1961) 首先采用这种方法在试验水槽中观察到了固体边界附近气泡的射流现象，并认为这种射流是导致空化损伤的原因，然而，他们观察到的气泡是随着水流运动的，这不是一种有效的实验方式，特别是对边界问题的研究。因此，在随后的研究中， Benjamin Ellis (1966) 通过改进实验方法得到“静止”气泡，对固体边界附近气泡坍塌的机理进行了研究，如图 1 并初步解释了射流形成的原因，这些研究结果为 Kornfeld Suvorov (1944) 提出的射流冲击导致空蚀的猜想提供了强有力的支持。图 1 固体边界附近空泡坍的塌使用动力冲击法获得气泡的过程与实际情况最接近，然而由于必须对水进行严格的脱气处理，且气泡无法精确定位，这种方法很快为电脉冲法所取代。电脉冲法的基本原理是：利用高压电脉冲将局部液体电离成一个等离子区，这个等离子区进而迅速膨胀形成气泡。 Chahine (1977, 1995) 采用电火花气泡研究了距自由面一定距离上气泡的运动，发现自由面对气泡具有排斥作用，并将电火花气泡用于模拟实验室尺度的水下爆炸气泡，如图 2 。图 2 电脉冲产生气泡实验装置由于电脉冲得到的气泡边界比较粗糙，并且往往不具有球对称性，电极的存在也对气泡的坍塌有影响， Ellis (1971) 首先采用激光脉冲产生气泡的方法。激光脉冲法的基本原理与电脉冲法的类似，只是采用激光作为能量源，利用这种方法产生气泡除了能够精确地控制气泡产生的位置和时间外，还具有良好的球对称性，这样就保证了实验结果与理论研究的可比性。 Lauterborn Bolle (1975) 采用激光脉冲技术研究了固体边界和自面附近气泡的动态特性，实验装置如图 3 所示，得到了气泡表面不同部位的运动速度，将气泡坍塌前的数据与 Plesset Chapman (1971) 的数值模拟进行定量比较，结果符合很好。 Vogel 等 (1989) 和 Kroninger 等 (2010) 分别采用 PIV 和 PTV 技术研究了激光空泡周围局部流场的速度分布，实验结果与计算结果也符合得很好。图 3 激光脉冲产生气泡实验装置随着对气泡问题认识的不断深入，人们不再满足于研究简单边界条件（刚性边界、自由面）对气泡运动的影响。 Gibson Blake (1982) ， Shima (1989) ， Brujan 等 (2001) 和 Tomita Kodama (2003) 等人相继研究了非刚性边界附近气泡更复杂的动态特性，得到了一些可供参考的结论。特别值得一提的是， Gibson Blake (1982) 引入了边界惯性 m* 和边界刚度 k* ，这是首次采用定量的弹性系数来描述边界的性质。 Huang Hwangfu (2010) 认为开尔文冲量 I* 的简单模型能够较好的预测自由面或刚性壁面附近气泡的迁移，但是由于 I* 没有考虑弹性，因此它不能够很好的弹性边界附近气泡的运动，对于弹性边界附近气泡的动态特性尚需进一步研究。由于许多文献中同时讨论了空化气泡和水下爆炸气泡，因此研究人员往往将空化气泡的研究结果用于水下爆炸气泡研究。气泡动力学问题的本质是一个力学问题，爆炸气泡和空泡有着明显相似的力学本质。然而，实际上这两种气泡的物理过程又存在着重要的区别，由于炸药的爆炸过程远比脉冲产生空泡的成核过程剧烈，因此对于水下爆炸气泡来说，爆炸初期受外界的影响相对较小，主要的干扰因素来自于装药本身的性质，如药包形状、起爆方式等。爆炸气泡与空泡之间的另一个重要区别是坍塌的尺度，例如最大、最小体积比，对于空泡这个值较大，而水下爆炸气泡的则较小，这是受爆炸气泡内不可冷凝气体产物的影响。由于电脉冲空泡和激光脉冲空泡内产物为可冷凝气体，在气泡坍塌的高温、高压作用下，所有的这些反应产物可能溶解于周围的水中 (Didenko Suslick, 2002) ，而水下爆炸气泡是由炸药爆炸产生，过程更加剧烈，其产物与炸药的性质有关，大部分为不可冷凝气体。这些气体在气泡收缩过程中不会溶解于水，这也是水下爆炸气泡在坍塌过程中能量损失相对较小的原因，电脉冲 / 激光脉冲空泡的能量损失比水下爆炸气泡的高约 20% 。因此，通过直接利用炸药进行实验来研究水下爆炸气泡的动态特性仍然是很有必要的。 1.2 水下爆炸气泡的实验研究在第二次世界大战中，军事需求激发了水下爆炸领域内的大量研究。 Cole (1948) 的经典著作详细的囊括了这一时期水下爆炸领域内的基础及应用研究，如爆炸冲击波的峰值压力、相似律、气泡脉冲、气泡周期和理想边界附近气泡的运动等。二战后的水下爆炸实验研究仍然是以为工程应用服务为主要目标，研究对象也主要是冲击波的毁伤效应，对于气泡的实验研究则相对较少。然而，自海湾战争以来，实战和实船试验中均发现舰艇遭受鱼雷或水雷的水下爆炸攻击时，无论是近场还是远场情况，除了冲击波的作用外，水下爆炸气泡也可能造成相当严重的损伤，这使得人们重新开始重视水下爆炸气泡的实验研究。随着数字技术的发展和新材料、新工艺的使用，电测和光测技术得到了很大提高，尤其是高速数字摄影的普及使得高速摄影系统得以大大简化和小型化，水下爆炸气泡实验研究的门槛也相应得以降低。近年来，业界在小当量水下爆炸气泡实验研究方面已经取得了一些进展，实验主要在水箱或水池中进行。图 4 玻璃球中充可燃气体水下爆炸气泡实验最初， Menon 等 (1998) 利用充可燃气体的玻璃球在 2×1.5×2 m 水箱中引爆产生气泡，研究了单个气泡自由场脉动过程中的界面不稳定问题，但是，需要注意到的是气相爆轰与凝聚态炸药的爆轰性质是有区别的，而且玻璃球壳的碎片对气泡表面的运动有一定影响，如图 4 中的长暗条纹。随后， Klaseboer 等 (2005) 研究了球形 Hexocire 装药自由场水下爆炸气泡的运动，以及刚性 / 弹性边界附近气泡的动态特性，这是在水下爆炸问题中首次引入了弹性边界，但只研究了单一边界和单一爆炸距离，研究发现水下爆炸气泡对弹性板造成的响应与冲击波的作用是相当的，另外，由于实验是在Ф 18×7 m 的水池中进行，且药量达到数十克，他们得到的高速摄影图像很模糊，如图 5 。 Brett 等 (2008) 在 100×40 m 的水池中研究了塑性炸药水下爆炸作用下圆柱壳结构的响应，发现尽管气泡脉动压力引起的响应比冲击波引起的小，但是气泡坍塌形成射流作用引起的响应却为冲击波引起响应的两倍，这种大型水池更加适合进行大型结构实验，如图 6 ，其成本和复杂程度也很高。 Link 等 (2003) 在 2×2×2 m 的水箱中进行了一些小型 C4 药包水下爆炸气泡与边界相互作用的实验，高速摄影的效果相对较好。图 5 自由场条件 55 g Hexocire 水下爆炸气泡实验图 6 水下爆炸水池实验最近， Huang Hwangfu (2010) 在 4×4×4 m 的水箱中研究了不同边界附近雷管水下爆炸气泡的运动，得到的气泡图像清晰度很好，将结果与空化气泡的理论和实验结果进行比较后，他们认为边界局部振动和气泡脉动的相位差可能是预测迁移的有用的指标。对比分析这些实验结果可以明显看到，直接采用凝聚态炸药进行水下爆炸气泡实验的效果比采用可燃气体的好，一方面这样能够避免可燃气体外壳碎片的影响，另一方面凝聚炸药爆轰产物比较稠密，在边界处的压力性质与实际情况更相符。从 Klaseboer 等的实验还可以发现，在水池中虽然可以进行较大药量的实验，然而对光源的要求更高，因此高速摄影的效果往往较差，采用水箱进行实验则操作起来相对灵活，采光效果更好。另外，通过比较 Klaseboer 等、 Link 等和 Huang Hwangfu 的实验结果可以看到，雷管水下爆炸产生气泡轮廓的光滑程度更好，这可能与炸药的爆轰性质有关，高感度炸药爆轰反应更加完全，使得气泡内产物中的杂质更少，有利于高速摄影，但同时也应该注意到，由于雷管的药量过小，气泡坍塌形成的射流几乎很难看清。因此，在水箱中进行小当量水下爆炸气泡实验是可行的，采用高感度、药量适宜的炸药应当能够取得较好的实验效果。; 个人分类: 学习心得|6909 次阅读|1 个评论

气泡动力学研究方法及进展 Part 1: 热度 5 westcotthc 2011-5-26 18:32; 注：本文为作者原创，如需转载，请注明出处。在流体中处于静止的气泡本身并不对周围环境造成很大的影响，但由气泡运动所引发的一系列过程可能导致能量聚焦效应，从而产生很大的威力。例如，自然界中生存着一种手枪虾，其捕猎时将螯快速合上，射出一道时速高达100公里左右的水射流，射流在高速运动过程中会产生空泡，空泡坍塌产生的冲击波能够将猎物如小鱼、小蟹震慑、击昏，甚至杀死，同时这个过程还以光的形式释放能量，研究人员将此现象戏称为“虾光现象” (Lohse 2001) 。又如，在工程界，涡轮机中的微小蒸汽泡的坍塌产生的射流冲击往往会使金属叶片表面遭受侵蚀和形成凹坑，从而导致机械效率降低，并产生机械噪声。在诸如这些现象中，气泡的坍塌使得能量在很短的时间内集中在一个很小的区域里，达到高能量密度状态，或以声光现象(sonoluminescence)、或以射流(liquid jet)的形式释放，这样的物理力学机制引起了工程界极大的兴趣，例如水下爆炸气泡动力学及其产生的舰船冲击环境问题近年来受到了各国海军的广泛关注。 Leonardo da Vinci 恐怕是最早运用力学观点研究气泡动力学的学者，他突破了亚里士多德力学框架的限制，采用冲量来解释静止流体中气泡以螺旋线或之字线轨迹上浮，而不是沿直线运动的现象，即 Leonardo 佯谬( Prosperetti 2004) 。当时的力学理论和实验条件这两个因素都不具备，但 Leonardo da Vinci 仍然在有限的条件下给出了自己的解释实属难得，因为直到今天这个问题仍在研究当中。 1789 年法国大革命后，综合性工科学校的逐步推广极大的促进了力学研究的发展，在这之后， Besant(1859) 、 Lord Rayleigh(1917) 、 Lamb(1932) 等人逐步奠定了气泡动力学研究的基本理论，建立了理想不可压缩流体中球形气泡的运动模型，并由 Plesset Prosperetti(1977) 进行了一系列完善，建立了著名的 Rayleigh-Plesset 模型。第一次、第二次世界大战的发生促进了世界工业水平的迅速提升，也带动了流体力学实验条件的发展，大量的实验技术被应用到水下爆炸研究领域，从机械式传感器到压电式传感器、从单幅闪光照相到高速摄影，都获得了大量宝贵的实验数据。与此同时，也涌现出许多工程应用色彩较强的理论成果，如 Herring(1941) 、 Kirkwood Bethe(1942) 、 Cole(1948) 、 Gilmore(1952) 、 Trilling(1952) 等在可压缩流气泡动力学方面做出的贡献。 20 世纪中后期，随着信息时代的到来，光、电技术的发展为科学研究提供了新的工具，借助这些工具，人们通过物理实验证实了许多理论预测的现象，如射流 (Benjamin Ellis1966) 、涡环结构 (Lauterborn 1985) 等。另外，计算机的数值计算能力的提高使得许多气泡动力学数值模型得以发展，如 Prosperetti Lezzi(1986) 、 Blake Gibson(1987) 、 Wilkerson(1990) 、 Geers Hunter(2002) 的重要研究。而得益于电荷藕合元件 (Charge-coupled Device) 的发展，人们可以将高速数字摄影技术应用到气泡运动全过程的观测，如 Chahine(1995) 等、 Menon(1998) 等、 Klaseboer 等 (2005) 等、 Thoroddsen(2008) 等。今天，气泡动力学已经从单一的流体力学问题发展到涵盖物理学（声致发光 \ 气泡核聚变 \ 超声清洗）、化学（超声化学）、生物和医学（超声碎石术）、气象和海洋科学（海岸侵蚀）等领域的综合性学科。尽管如此，气泡动力学研究中仍然有许多现象和问题亟待人们去观察和研究，正如 Lohse(2003) 所总结的：气泡在我们生活中很常见，它们在物理、化学、医药和工程领域中扮演者重要的角色，然而，其所展现出来的行为却往往出人意料，并且在很多问题中尚不为人所知。从以上气泡动力学研究发展历史的简要概括可以发现，理论方法、实验方法和数值模拟构成了气泡动力学研究的三个重要组成部分。经过一个多世纪的发展，气泡动力学的理论已经较为完善，成为了气泡问题研究的基础，而受益于技术的不断革新，实验方法和数值模拟的发展仍在不断前进。在水下爆炸气泡研究领域，由于实验的危险性和耗费性，数值模拟研究占有的比重越来越大，但是，目前它还不能完全取代实验研究。只有综合运用实验、理论和数值模拟这个三个科学工具，才能够帮助我们更深刻的认知问题和解决问题。; 个人分类: 学习心得|12633 次阅读|3 个评论

水下爆炸气泡的基本现象及规律: 热度 3 westcotthc 2011-5-23 20:37; 水下爆炸气泡基本现象及规律炸药在水下爆炸时，爆轰波和产物膨胀引起冲击波在水介质中传播，称之为爆炸冲击波。而爆炸近区产物占据区域的周期性膨胀和收缩的衰减性振荡，称为气泡脉动。这些都是水下爆炸研究的重要方面，这里主要探讨水下爆炸气泡的运动过程及其中的重要现象。 1. 气泡的运动炸药在水下爆炸产生的气泡将展现出复杂的动态行为。爆轰结束时，气泡包含压力极高的气体，并开始迅速膨胀。这个膨胀持续进行直到气泡内压力远低于环境压力，这时气泡的体积比药包体积大很多倍，随后气泡开始收缩。随着气泡收缩，其内部压力再一次变大，直到气泡剧烈的回弹。这个膨胀 - 收缩 - 坍塌 - 回弹的过程将重复多次，如图 1 示。图 1 典型的水下爆炸历程 Fig.1 Typical underwater explosion event 在离爆炸较远的地方，水中压力的变化也有一个类似的过程。炸药爆轰结束时，初始药包变为高压状态下的高温气团，并对周围的水产生力的作用。水的可压缩性使得作用在其上的压力以冲击波的形式向外传递，冲击波的传播引起水的局部运动以及压力的变化。随后冲击波随时间近似按指数规律衰减，压力曲线上出现一个较长的负压区，并持续到第一个气泡周期的末尾。然后，气泡壁的迅速坍塌和回弹产生一个较大的压力波，持续时间比冲击波长，但幅值较冲击波小。这个二次压力波就是我们熟知的第一次气泡脉冲，且含有几乎与冲击波相同的冲量。在这次脉冲过后，负压区再次出现，直到再次坍塌，这时将形成另一次气泡脉冲。这个过程可能持续多次，但由于气泡在每次最小时都存在由几种不同机制引起的能量损失，压力波的幅值和气泡周期是逐渐减小的。图 1 中还给出了气泡的迁移和变形运动。当气泡膨胀时，它受到与排开水重量成比例的浮力作用。这将导致膨胀中的气泡开始向上迁移，并获得一个线动量，由于浮力与附加质量以相同的速率增加，此时的迁移运动是缓慢的。然而，随着气泡开始收缩，附加质量随之减小，为了保持动量守恒，迁移速度必须增大来补偿动量的变化，而且速度增加的速率与附加质量减小的速率相关，从而气泡在每次坍塌时都出现一个向上跳跃的现象。另外，在每次坍塌过程中，气泡的形状将发生改变，气泡变形的具体性质与迁移运动引起的压力变化有关。 2 .射流现象气泡或孔洞在“流体”中的非球形坍塌将产生高速射流，参见 Benjamin Ellis (1966) 、 Lauterborn Bolle (1975) 、 Plesset Prosperetti (1977) 、 Blake 等 (1987) 、 Best (1992) 等人的研究。这种现象很普遍，比如气泡在固壁或自由面附近作轴对称坍塌、气泡在冲击波作用下的坍塌以及在紊流空泡流中都会产生射流现象。图 2 振动边界附近气泡坍塌形成的射流图 3 固壁附近气泡的坍塌 Fig.2 Jet penetrating bubble in the direction of an oscillating boundary Fig.3 The collapse of a bubble near a solid wall 为便于简化，人们通常把射流分为两类来研究：一类是不考虑浮力的影响，气泡运动受到附近边界（自由面、刚性边界或弹性边界）的影响，导致非对称坍塌形成的射流，且射流的性质与边界性质、距离等因素有关，如图 2 、 3 所示；另一类是距边界较远，边界的影响可以忽略不计时，重力场中气泡上下表面压差不一致导致坍塌产生的向上喷射的射流，如图 4 所示。而在实际情况中，对于水下爆炸气泡来说，在大部分时间内气泡的体积都很大，因此，重力场和边界往往同时对气泡的运动产生重要影响，如图 5 所示的倾斜射流，这就使得射流的性质更为复杂。图 4 重力场中远离边界处气泡的坍塌、射流和回弹过程 Fig.4 Collapse, jet and rebound of bubble far from boundary under gravity field condition 射流的形成与气泡的非球形坍塌有着密切的联系。对于一个具有球形或类球形对称性的气泡，若不考虑静水压或周围压力梯度的影响，其形状在坍塌过程中是保持不变的，由于任意位置的坍塌都会阻止其对称部位的收缩，这种坍塌将不会产生射流。然而，实际情况中气泡的对称性完全可能由于周围边界产生的外力或小扰动的增长而破坏。如果一个坍塌的气泡具有非对称结构或在其表面上存在凹陷、凸起，从而不再保持对称结构，非对称性要么减弱要么增强，直到流场中产生奇异，形成尖点。由于这个原因，一个发展中的非对称性通常会导致气泡的某个部位产生满足奇异条件的射流。图 5 重力场中边界附近水下爆炸气泡形成射流的过程 Fig.5 Jet generated by an explosion bubble near a vertical wall under gravity field condition 3 . 总结根据基本现象及规律的叙述，水下爆炸可以用不同的时间尺度来区分，其中各个剧烈过程（冲击波的产生、气泡的膨胀和坍塌、迁移、射流）之间的时间间隔比这些过程的持续时间大 1~2 个量级。这些剧烈的过程中伴随着许多可能的能量转换机制（流体的动能和势能、气体的动能和势能、浮力产生的重力势能、表面张力产生的势能）和能量损失机制（流体中的声辐射、气体中的化学反应和分子弛豫、气泡表面上的热和质量输运）。其中冲击波过程以前一直是水下爆炸研究的主要对象，现在有大量的文献和研究成果，也有较成熟的算法，从冲击波的传播到与结构的相互作用，都有相应的数值模拟方法，也有大量的实验数据支持，而对于水下爆炸气泡的研究则仍处于不断发展之中。注：本文为作者原创，如需转载，请注明出处。; 个人分类: 学习心得|18335 次阅读|6 个评论

烧开水的气泡从哪里来: 热度 17 xuyingxiao 2011-4-19 08:25; 烧开水的气泡从哪里来？以前一直以为是因为水中溶解了气体，加热以后气体从水中浮出。以前养鱼玩时也得到旁证，看到资料说冷开水不能养鱼，因为水烧开后水中氧气不足。前两天烧开水时忽然想看看水沸腾的全过程。打开锅盖，看着锅底逐步冒出很多小气泡，小气泡逐步浮上来，在浮起过程中合并成大气泡。随着温度上升，冒气泡的点越来越密集，每个点冒气泡的速度也越来越快，直至每个点都像机关枪一样不断地喷出气泡，心里不禁想到：这么快的速度，是不是什么时候会把水中溶解的气体全部蒸发掉？想到这里，心里一惊：如果水中溶解的气体蒸发完了，就没有气泡了。一锅开水怎么烧都波澜不惊不会沸腾，这倒是很吓人。但现实中却没有看到过这种情况，一定是哪里错了。于是做思想实验：如果这火一直烧下去会怎么样? 很明显，最后烧干了。在烧干的最后一刻，可以想见那几滴水是如何沸腾着变成热气的。于是豁然开朗，原来烧开水时的气泡大部分不是溶解在水中的气体，而是过热后蒸发的水气。仔细一想，其实这也不是什么新发现，每天烧水不是看过这么多水汽么。而且高中学习过高山上的水由于气压低不到100度就沸腾了，这些都是和水的汽化有关。只是，从小到大却一直以为烧开水的气泡只是水中溶解的气体。; 个人分类: 科普|22595 次阅读|36 个评论

盖盖玻片时怎样防止出现气泡: 热度 1 lingfeng 2010-6-6 02:01; （2011.8.4补充：根据蒋继平老师的建议，发现最大的问题是盖玻片和载玻片不干净，例如沾有油脂。洗干净或者换成干净的载玻片后，问题轻了许多。此外，如果用含有甘油的mounting solution浸泡标本后再制片，也可以很大程度上减少气泡。）制作玻片时，一个常见的问题就是容易出现气泡。我在做实验时也经常遇到这个问题，开始并不在意，后来导师说会影响到折光度，所以才开始想办法解决。常规的的做法是：用手或者镊子夹住盖玻片的一端，另一端靠在载玻片上，使盖玻片与载玻片呈 45 度角，缓慢放下盖玻片，使盖玻片缓慢接触液体，从而避免出现气泡。如果不小心出现气泡，可以在盖玻片一侧加水，另一侧用吸水纸吸，把气泡驱出。参见： http://zhidao.baidu.com/question/45717362.html http://zhidao.baidu.com/question/122725859.html 其实我觉得 45 度的说法并不准确。因为液滴接触玻片的时候，成角往往很小，可能在 10 度以下。关键是要在接触液滴的那一瞬间，盖玻片放下的速度要匀速而缓慢，使得液体有充分的时间均匀弥散到盖玻片与载玻片之间。驱出气泡的方法我没试验过。用手指很不准确，因为手指的厚度太大，在盖玻片与载玻片成角很小的情况下，不能继续缓慢减小角度。我也尝试了用镊子，镊子厚度小些，比手指要好，但是，仍然出现气泡。我想，要是能将夹在盖玻片与载玻片之间的东西的厚度减少到极小，或者为零就好了。；例如干脆用一个东西在盖玻片与载玻片的非接触面吸引住它，然后缓慢放下，这样夹在中间的厚度就是零了。开始想到的是口香糖，但是还是觉得不方便使用。后来看到了透明胶，一下想到：用透明胶不就可以了吗？做法如下图：取一块透明胶，部分反折，这样，反折的部分没有粘性，适合用手指捏住，非反折的部分保持粘性，可以用来黏住盖玻片。盖盖玻片的时候，左手手指轻轻固定住盖玻片的一端使之与载玻片接触。将透明胶的非反折部分粘在盖玻片的另一端上，右手手指捏住透明胶反折部分，缓慢的方下，使盖玻片与载玻片的成角缓慢变小，最终接触液滴。操作的关键是在成角很小的情况下，仍然要均匀地、缓慢地减小成角。需要注意的是，不能用粘性很大的透明胶，否则从盖玻片上取下来的时候容易弄碎盖玻片。利用这种方法，我制片遇到气泡的问题就解决了。想到这种方法，并没有需要很多时间。其实很多情况下，我们总可以找到解决问题的方法。“只要思想不滑坡，办法总比困难多”。; 个人分类: 经验总结|46341 次阅读|6 个评论

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