薄膜射流相互作用实验探索及军事应用分析

李翔城

(国防科技大学 理学院，长沙 410073)

在现有的技术中，薄膜在军事上的应用已经比较广泛，但是对于水薄膜的基础性研究特别是其与其他物质进行相互作用的研究不多［1-3］。实验中发现，当射流和薄膜相互作用时，会产生3 种不同的实验现象。即“膜流穿透”现象，“膜流融合共振”现象，“过渡阶段”现象。本文正是在这种背景下，对射流和肥皂泡薄膜进行了实验探究，进行比较详细的理论分析。并对射流和薄膜的相互作用相关军事应用可能性进行了探究。

1 理论分析

实验发现，液体表面像一张紧的弹性膜，也就是说表面存在着一种张力，称为表面张力。若在液体表面上想象画一根线，则该线两侧的液面相互存在着拉力的作用(图1)。

图1 表面张力示意图

用式子表示为

其中R 为截线长度;γ 称为表面张力系数，其数值等于液面上作用在单位长度截线上的表面张力。

图1 所示，保持液膜面积不变需加外力。设使边向右移动距离则此过程中克服表面张力所做的功为

AB 表示边移动时薄膜的两个表面所增加的总面积，所以可以得出:

表面张力系数等于在等温条件下液体表面增加单位面积时所增加的表面能。这对应于表面积取最小值，可以说明液体表面为何有收缩的趋势。

把液体流“量子化”，其实液体流并不是连续的，而是一个个紧密相连的液珠构成，这样问题就简化成液珠和膜的相互作用模型。

在现有的理论上，定义了韦伯数的概念［2-4］:

其中，ρ 表示射流的密度;在此水流的密度ρ =ρwater=1.0 ×103kg/m3，vi表示射流的特征速度;Ri表示射流的半径即特征长度;γ 表示水的表面张力系数，查表可得:γ =26.2 ±0.2 mN/m。韦伯数代表惯性力和表面张力效应之比，韦伯数越小代表表面张力的影响作用越大。

构成美术作品的形式语言要素是点、线、面、体积、色彩、明暗、构图、肌理。美术形式语言要素构成的主要因素是图像。根据图像反映客观物象的不同情况，可以将美术作品分成三大类：具象美术、意象美术、抽象美术。

1.1 膜流穿透

特征:韦伯数较大，θi较小;因为此时表现的宏观性越大，可以类比对于大量粒子，主要表现的是波动性，其宏观表现;而对于单个粒子，主要考虑的是其粒子性，即微观表现。类比把韦伯数当成宏观性表现大小［6］。

当θi=θr时，膜产生轻微的变化。在相互作用区域满足质量守恒和动量守恒关系，即:

在以上方程中，进行近似替换:sinθi～θi;sinθr～θr;FR～4πγRi。得出:

1.2 过渡阶段

特征:射流的速度较大，而较小，在实验过程中很难实现。从 理 论 角 度，若 sinθr= 1;sinθi=;则 θi=

1.3 膜流融合［5，6］

特征:韦伯数较小，即主要从微观角度考虑，而较大;在这种情形下，暂且把这种现象理解成膜与射流产生了共振现象。

2 实验验证探究及分析

2.1 射流(水流)与肥皂泡膜间夹角影响

表1 角度与类型关系

当到达某一角度时，液流与液膜互相融合，此时液流在液膜中作类似于正弦曲线的运动，呈波动状态，且具有一定大小的波长。

当夹角较大时，使得We ＞1 较大。随着之间的夹角不断减少，We 也不断减少。说明夹角较大时，影响相互作用的不是射流和肥皂泡膜之间的分子表面张力，而是射流的重力和空气作用的结果;但是随着之间的夹角不断减少，在平行膜方向上的作用其主要作用。这也初步验证在参考文献［4，6］中的所设立的猜想和探究的结论。

2.2 射流(水流)速度的影响

通过平抛运动来测量射流的出射速度，在对比实验中，速度测量如表2。

表2 出射速度记录

在距离照相机相同距离的位置放上标准物(位置放在贴近膜的正上方)，利用图形与原物形状相似的性质，估计波长。

从图2 中初步可以得到以下结论:速度越大，产生的波长越长。波长是随着速度在实验范围内是单调递增的。

图2 不同速度的现象（左:慢速;右:快速）

2.3 射流的尺寸影响

实验中，使用注射器，通过插上针头和不插上针头进行比较，保持其他参数基本不变，观察实验现象。比较液柱的大小，得出以下实验结论:

从图3 和表3 中可以得出，粗流更容易与膜融合，但相对细流来说，不容易产生“膜流融合”。细流与膜相互作用时，膜更加容易破裂。

图3 不同射流尺寸影响（左:粗流;右:细流）

表3 液柱尺寸特征表

3 军事应用可能性分析

通过以上分析，在军事上，如果材料允许，可以利用“过渡阶段”的性质，设计新式的舰艇，在舰艇的外侧设计与水相似的材料，使得舰艇在行驶的过程中，极大的减少行进阻力。

此外，利用“膜流融合”的性质，可以设计一种海上新型的隐身物体，使得雷达不能发现，因为在这个阶段，军事目标和海水是融为一体的，这对于以后的海军高技术的发展具有一定的理论借鉴意义。当然，其可行性，还有待进一步探究。

4 结束语

以上过程可以清楚了解“膜流穿透”、“过渡阶段”、“膜流融合”现象产生的原因，并且通过射流与薄膜之间的夹角，射流速度，射流特征尺寸3 个参数，对产生这3 种现象进行了详细的分析。对其军事上的应用可能性分析，得出其军事应用有一定的理论参考价值和设计价值。实验数据还是不能得到一个精确的结论，下一步需要探讨其他参数的影响，设计更好的实验方法，使问题探索更加完善。

［1］田小平.用弹簧测量液体表面张力系数的实验探讨［J］.实验科学与技术，2006，4（1）:10-13.

［2］GEORGIEV D.VOROBIEFF P.The slowest soap-Film mnnelinthe Southwest［J］.Rev of Sci Instr，2002，73（3）:1177-1184.

［3］GUTGERS M，WU X，DANIEL W. Conducting fluid dynamies experiments with verfieauy falling soap fdms［J］.Rev of Sci Im，2001，72（7）:3025-3037.

［4］Dong H，Carr W，Morris P.Fluids 18，072102（2006）.

［5］GEOFFROY KIRSTETTER，CHRISTOPHE and FRANCK CELESTINI.Jet impact on a soap film.arXiv:1203.0842v1［cond-mat.soft］.

［6］GEOFFROY KTER，CHRISTOPHE and FRANCK CELESTINI.Interaction of a jet with a liquid foam: a film scale study.