肥皂泡破碎及合并瞬态过程的全场液膜厚度检测

Soap films with a thickness in the um scale are common in research about micro-rheology. Particle motions in various films (of different thickness and composition) have been studied in order to determine the parameters in hydrodynamic models. Much research focuses on the film thickness measurement of the soap bubble over time and space. The testing methods for the film thickness commonly consist of two kinds. The first is based on the attenuation effect happening in the film. The second is based on the interference effect happening in the film. However, the above methods only afford point-style measurement. Quantitative analysis of soap film thickness in the full field has rarely been reported. The applicant had proposed the large lateral shearing interferometry and successfully applied it in the film thickness measurement for a hanging soap bubble. Its film thickness distribution could be given along the direction of gravity from its birth to burst, with a time span as 5 s. This method is based on the interference effect happening in other device (such as a parallel-sided interferometer plate) besides the test soap film. Considering the transient process either the burst or the combination lasts less than 1 ms for a soap bubble, its spatial and temporal film thickness distribution in the above transient process could also be given based on the large lateral shearing interferometry, with a high speed camera.

肥皂泡有着微米量级的液膜厚度，因此成了微观流变学的常见研究对象。研究者深入考察微小粒子在不同厚度、不同成分的液膜中的运动特征，由此计算水力学模型中的相关参数。诸多研究中的一个热点在于考察肥皂泡液膜厚度随时间、空间的联合变化规律。肥皂泡液膜厚度的传统检测方法有两类：第一类是基于光线穿透被测液膜后的衰减现象，第二类是基于光线在被测液膜内外表面之间的干涉效应。这两类方法仅适于点测量，而肥皂液膜全场厚度分布的定量分析罕见报道。申请人提出了横向大剪切量干涉成像技术并将其应用在肥皂泡液膜厚度检测中，给出了单个肥皂泡从生成后到破裂前以5秒为时间间隔的全场液膜厚度分布。该方法也是基于光线的干涉效应，但干涉过程发生在被测对象之外的平行平晶上。考虑到肥皂泡破碎及合并等瞬态过程持续不足1微秒，如果将上述检测方法配合高帧速摄像机，则有望得到上述两个瞬态过程中液膜厚度的时、空二维分布。

自由单泡的排流破碎实验结果表明，排流全程可以分为2个阶段。在前一阶段，肥皂泡顶部的液膜厚度始终大于零，此时液膜表面张力与肥皂泡内外压强差维持平衡，而水层排流只由重力和粘性力影响。此阶段会在当量竖直半径小于-1/4的区域呈现一个液膜厚度不随时间改变的稳定区，还会在顶部区域呈现一个膜厚纵向梯度远高于周边水平的高梯度区域。这个高梯度区域导致干涉条纹图上呈现出“条纹急转”的现象。除此之外，肥皂泡上部和中部的膜厚会缓慢减小。在后一阶段，肥皂泡顶部的液膜厚度等于零，这意味着排尽区已经出现。其边缘线向内只有乳化剂层的较小张力，向外则有乳化剂层和水层的较大张力，因而排流效果得到加强。此阶段中，肥皂泡顶部区域的梯度早已降到与周边一致的水平，上部和中部区域的膜厚随时间流逝迅速减小。当量竖直半径小于-1/4的区域不再保持膜厚稳定，而是呈现出膜厚先迅速增大然后迅速减小的趋势。在双泡的受迫合并与受拉分离实验中，我们给出了4个瞬间（自由态、受迫态、拉伸态、分离后的自由态）的时空二元膜厚分布。为了比较液膜变化，本文提出了体积梯度函数，将它沿着高度坐标积分可得任意区段的液膜水层体积。考虑到球冠区的体积梯度函数值无法计算，而球冠底部封闭小圆的液膜厚度值为已知，我们假设球冠的液膜总体积等于球冠底部封闭小圆的液膜总体积，就可以得到全场液膜总体积。结果显示，4个时刻的体积梯度值均在接近杯状容器出口平面的位置重合，而两个自由态的体积梯度分布更是在全场表现出很高的一致性。压缩态的体积梯度分布在全场略高于自由态，而拉伸态的体积梯度分布在全场略低于自由态。考虑到排流时间很短，可以认为这些时刻的液膜总体积近似相等。数据显示，从底部高度1.9毫米开始，把体积梯度值积分至球冠（或球冠底部封闭小圆），自由态、压缩态、拉伸态的液膜水层总体积依次是13.037微升、12.882微升、12.792微升，总体呈现出因排流而轻微下降的趋势。