research on the noncoalescing phenomenon between drops and vibrating liquid surfacenew

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1、第31卷第6期大学物理Vol．31No．62012年6月COLLEGEPHYSICSJune2012振动诱导液滴与液面不融合现象的研究1车适，陈天然，张志博，赵地，苏为宁，潘永华，高惠滨(南京大学物理学院，江苏南京210093)摘要:发现硅油液滴能够停留在竖直振动的硅油液面上，通过等厚干涉实验说明液滴和液面间存在空气薄膜，分析空气膜形状的变化过程，并依此建立简化模型论述空气膜阻止液滴与液面融合的原理．实验构造了浸没在硅油液面下的硅油液滴，建立理论模型估算空气膜的平均厚度，并与实验估测值对比．本文对多个液滴在液面上呼吸模式的振动现象作了描述和解释．关键词:液滴;液面;竖直振动;

2、不融合;空气膜+中图分类号:O552.421文献标识码:A文章编号:1000-0712(2012)06-0060-06当两个同种液体形成的自由液面相互靠近时，由于范德瓦尔斯力和表面能极小化的作用两液面会融合在一起，然而在某些条件下，同种液体之间会表现出不融合的反常现象．Reynolds在100多年前发［1］现了这种现象，Rayleigh观察到两液滴相碰撞之［2］后会反弹回来，液滴稳定地停留在液面上是［3］Walker等人首先用竖直振动的肥皂浴实现的．另［4］［5］［6］外，在水跃附近、热毛细对流、等温剪切、掺［7］加表面活性剂等条件下，也都观察到液滴与液面不融合的现象．［8，

3、9］本文选用甲基硅油作为研究对象，在液面图1实验装置图竖直振动的条件下，液滴能够停留在液面上．本文将围绕这一现象展开讨论．硅油液滴很容易停留在液面上，时间通常在分钟数量级．而一旦关闭电源停止振动，液滴立即就会融入1液滴停留在液面上液面，这充分说明振动对不融合现象的产生起着至1．1实验装置与现象关重要的作用．实验装置如图1所示．实验在一个有机玻璃制如上所述，同种液体间的不融合现象，与液面的成的圆柱形容器(直径d=4cm，高h=5cm)中进性质，及液滴、液面相互靠近的过程有关．在实验过行，这是因为有机玻璃材料一般不与液体发生反应，程中，我们观察到液滴和液面之间存在空气薄层，隔而且

4、容器具有良好的对称性边界．通过与容器固连绝了液滴和液面的相互接触，所以液滴才能够停留在一起的扬声器(纸盆)施加竖直方向的振动条件，在液面上．激励信号源输出正弦信号，电压范围是0～33．6V，1．2空气薄膜的实验验证频率范围是25～220Hz．容器中盛有甲基硅油(密实验中观察到，液滴与液面不融合，液滴边缘呈33度ρoil=0．96×10kg/m，表面张力系数σ=20×现异质结构，其折射率与液体不同，我们猜想异质层－310N/m，黏度μoil=50cst)，注射器从固定高度向是空气膜，本文运用光学的办法来检测空气薄层的液面上滴加硅油液滴，实验发现，只要驱动频率不太存在．用钠光灯作

5、为光源，显微镜从上方对准液滴进高(150Hz以下)，驱动电压不太低(0．3V以上)，行观察，我们发现:从液滴下落并停留在液面上时算收稿日期:2010－10－17;修回日期:2012－02－12基金项目:国家基础科学人才培养基金资助项目(0204G088)，江苏高校优势学科建设工程资助项目作者简介:车适(1990—)，男，河南鹤壁人，南京大学物理学院2009级本科生．第6期车适，等:振动诱导液滴与液面不融合现象的研究61起，在之后大概3秒钟的时间内可以清楚地看到类圆盘中间夹着一层空气薄膜．似于“牛顿环”的等厚干涉现象，如图2(a)所示．在2)由于空气膜很薄，用润滑理论中的Rey

6、nolds开始不到1秒钟的时间里，环形条纹从外向内收缩、方程描述空气膜的流动．越来越密，此后，环形条纹由内向外冒出、越来越少，3)空气膜的温度是均匀的，等于环境温度T;最后完全消失，环形干涉条纹是由于液滴和液面之空气黏度保持不变，并且服从理想气体状态方程．间存在厚度不均匀的空气膜所导致的，等厚干涉条4)根据实验事实，本文认为液滴和液面在竖直纹的变化说明空气膜的厚度在变化．方向上振动的频率相同，不妨取液面(甲盘)为参照系，液滴(乙盘)在这个参照系里作竖直方向上的简谐振动．图2液滴靠近液面时的形状变化图3简化模型示意图根据环形条纹的变化可以推测出空气膜形状的变化过程，如图2(b)

7、所示．液滴在下落的过程中最在上述假设下，实际问题简化为两刚性圆盘间底端空气的流速最大，相应点的压强差最大，以致液空气的挤压膜问题，如图3所示．以甲板为柱底建立滴向内凹陷;同理，对应的液面部分也往下凹，两者柱坐标系，甲、乙两圆盘半径为R，乙盘是承重盘，其形成类似于“双凸透镜”的形状，如图2(b)①所示．上负载有液滴重量．乙盘平衡位置为h0，振动角频随着液滴与液面越来越近，空气膜的压强变大，加剧率为ω;外部大气压强为pa，密度为ρa，黏度为μ;vr了液滴底部和液面向内凹的程度，如图2(b)②所和vz表示两盘