【文章內(nèi)容簡介】 ，由于甘油是一種吸濕液體，它與水形成了一種較弱的化學黏合，從而減緩了水的蒸發(fā)速度，延長肥皂膜的持續(xù)時間。通過將洗手液、甘油、水三種成分按照一定比例混合，即可配置出滿足實驗要求的肥皂液。對于肥皂液配置比例的確定，我們采取了嘗試性實驗的方法，并最終得到了肥皂泡的持續(xù)時間和配比之間的關(guān)系。由于肥皂液配方中含有三種成分，我們在比例選擇過程中采用固定其中兩種，以另一種為變量，從而測出膜的持續(xù)時間與變量的關(guān)系，從而確定出最佳的配制比。實驗是在一個上進行的，肥皂泡的直徑用鋼尺進行測量。由于實驗過程中的影響因素比較多,像周圍空氣擾動、空氣的濕度、肥皂液的均勻程度、吹時的氣流速度、入射角度、玻璃板表面的潤滑液等都可能對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響，故我們實驗中采用多組測量取平均的方法，從而減小實驗誤差。第一組實驗：測甘油含量變化對肥皂泡持續(xù)時間的影響肥皂泡直徑：d=15cm水：20g 肥皂液：10g （此含量選定主要參考以前配的含量）甘油含量：0到10g玻璃板上的潤滑液：由洗發(fā)水和甘油配成的溶液實驗后得到甘油含量變化對肥皂膜的持續(xù)時間的影響曲線如下：圖 第二組實驗：測洗手液含量變化對肥皂泡持續(xù)時間的影響肥皂泡直徑：d=15cm水：20g 甘油：7g（此含量的選取主要參考第一組實驗后的結(jié)果）肥皂液：0到10g玻璃板上的潤滑液：與實驗溶液相同實驗后得到洗手液含量變化對肥皂膜的持續(xù)時間的影響曲線如下： 洗手液含量變化對肥皂膜的持續(xù)時間的影響 從兩組實驗測得的實驗結(jié)果可以看出，實驗過程中測得的持續(xù)時間的最大值，還是存在一定差距的。這主要是由兩次實驗時所處環(huán)境的空氣濕度、氣流速度不同所致。由于肥皂泡本身具有易碎性，測得的實驗數(shù)據(jù)也有一定的隨機性。但總體上來說，還是可以為肥皂泡配置比提供一定的參考依據(jù)的。同時，通過兩組實驗潤滑液的不同，可以看出，對于與肥皂液相同的潤滑液更有利于泡泡的持續(xù)時間。適量的甘油可以起到減緩揮發(fā)，增長肥皂泡持續(xù)時間的作用。但當甘油含量超過一定量時，由于洗手液濃度相對下降，影響了泡泡的形成，故其持續(xù)時間會成下降趨勢。二、 圓柱形界面及球狀界面的生成在圓柱型界面實驗中，采用在激波管試驗段內(nèi)加裝直徑20mm的環(huán)形支架的方法，其中兩圓環(huán)間的距離為20mm。在吹肥皂泡的過程中，為了便于肥皂泡的形成，首先在兩圓環(huán)上蘸一定量的潤滑液，待高壓段充一定壓力后，用一端接有充有氦氣的囊體的導管在兩圓環(huán)間吹出合適大小的球狀氣泡，待球狀氣泡與兩圓環(huán)接觸后，會自動破裂成圓柱狀。對于采用此種方法形成的氦氣泡，持續(xù)時間基本可以達到30秒以上，滿足實驗要求。 放置于試驗段內(nèi)供形成圓柱形氣泡的環(huán)形支架示意圖在制作球狀氦氣泡時，為了減少重力等因素給肥皂泡變形帶來的影響，我們將端部蘸有肥皂液的導氣管自下端小孔伸入試驗段，導氣管另一端直接與充有氦氣的囊體相連。經(jīng)過多次實驗，采用恰當配方吹出的氦氣泡在試驗段可維持約30秒鐘的時間，基本滿足實驗的需求。 激波管試驗段及環(huán)形支架實物照片第三節(jié) 實驗裝置與實驗方法該實驗是在傳統(tǒng)的激波管中進行的，為了達到實驗目的，實驗、測量系統(tǒng)應(yīng)具備以下兩個功能： （1）、能夠得到不同時刻界面失穩(wěn)的流場圖片；（2）、能夠測量出激波的馬赫數(shù)，從而算出一系列的實驗參數(shù)。因此，實驗裝置大致可以分為激波管系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、同步控制三大部分。一、實驗儀器介紹，其中激波管驅(qū)動段和被驅(qū)動段都是圓形截面， m， m，內(nèi)徑為60 mm；試驗段是方形截面，觀察窗高為70 mm，寬為40 mm，在被驅(qū)動段和試驗段之間有一個長度為100 mm的光滑過渡部分；觀察窗是由普通的光學玻璃制成。在激波管的高壓段接一數(shù)字式壓力傳感器，用于高壓段壓力的測量。對于壓力傳感器信號的記錄，采用的是YE5853電荷放大器和Tektronix TDS 2014型四通道示波器，在同步控制系統(tǒng)中，采用本實驗室自行研制的信號延時觸發(fā)器。紋影系統(tǒng)中采用的高壓花火光源也是本實驗室自行研制的，其火花閃光時間為微秒的量級，可以有效的達到“凍結(jié)”流場的目的。 實驗裝置示意圖 示波器和電荷放大器 數(shù)字式壓力表二、測量系統(tǒng)及同步控制對于壓力的測量，我們采取在低壓段裝有兩個壓力傳感器2（）的辦法。破膜后，壓力傳感器的信號將被示波器所記錄，通過激波先后通過兩個傳感器后壓力信號的變化，從而判斷出激波通過兩個傳感器的時間間隔，兩傳感器的距離通過測量我們可以得到，即可計算出激波馬赫數(shù)。 觸發(fā)延時信號發(fā)生器 火花光源同時壓力傳感器1的信號又作為延時信號的輸入，由于激波馬赫數(shù)我們前面已經(jīng)測出，通過計算可以得到激波從傳感器1到達觀察窗的時間，在延時觸發(fā)器中可以設(shè)置一定的延時，觸發(fā)后會輸出一個單次脈沖信號，觸發(fā)火花光源打火，從而實現(xiàn)同步的目的。對于流場顯示采用經(jīng)典的黑白紋影和二維彩色紋影系統(tǒng)，光源采用的是前面提到的火花光源，由于火花光源的閃光時間為微秒量級，因此在實驗中可以有效的捕捉到瞬態(tài)情況下界面的形變狀況。拍攝采用的是傳統(tǒng)的CCD相機長時間曝光、單次拍攝的辦法。三、 實驗步驟及注意事項由于本實驗中的火花光源放電存在一定危險性，因此實驗一般有兩個人參加，這樣兩人即可在實驗中互相幫助，又能防止意外。下面將對各實驗步驟和注意事項作詳細描述。實驗步驟（1）、根據(jù)實驗要求確定實驗方案、調(diào)試光路和各測量裝置，使其滿足實驗要求。并計算出激波馬赫數(shù)。（2）、通過計算出的馬赫數(shù)，算出激波到達我們所需位置的時間，調(diào)節(jié)信號延時觸發(fā)器，控制火花打火時間。 （3）、配置肥皂液：利用前面給出的肥皂液配比，配置出可供實驗的肥皂液，用于界面的生成。（4）、在激波管的高壓段和低壓段之間安裝膜片。實驗中膜片采用的是普通的塑料膜片。實驗人員在用螺栓連接兩部分時必須考慮使膜片能夠受力均勻、對稱，防止膜片產(chǎn)生褶皺，因此要對稱地上緊螺栓。（5）、通過壓氣機對高壓段進行充氣，實驗過程中激波管驅(qū)動段和被驅(qū)動段均采用空氣。，考慮到肥皂泡的持續(xù)時間。（6）、用一端接有充有氦氣囊體的導管蘸少量肥皂液，在試驗段吹出滿足實驗要求的肥皂泡。（7）、再次檢查各測量儀器是否都處于準備狀態(tài)。關(guān)燈，繼續(xù)充氣，按下相機快門，等待破膜。同時記錄下破膜壓力。破膜后，火花光源被觸發(fā)，觀察窗內(nèi)界面的變形狀態(tài)被相機所記錄。同時，壓力信號被示波器所記錄。（8）、關(guān)閉火花光源高壓電源。為了安全，用導電棍對火花塞高壓電容進行放電。（9）、從示波器上讀出激波通過兩壓力傳感器的時間間隔，用于實驗馬赫數(shù)的計 算。（10）、關(guān)閉示波器、延時器和壓力表。關(guān)閉電源，下次實驗前重復步驟1。實驗時遇到的問題及解決辦法做實驗的過程是一個不斷解決問題的過程，在解決問題的過程中既鍛煉動腦和動手能力，又能熟練實驗方法和操作過程。下面將對本實驗中出現(xiàn)的一些問題以及相關(guān)的解決方法進行介紹。（1）、膜片的選擇由于膜片質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到破膜壓力的大小，關(guān)乎實驗的成敗。所以在剪膜片的時候，要盡量不要在膜片上留下折痕。膜片的大小也應(yīng)盡量與圓管直徑相吻合。太大或太小都會影響最終的破膜壓力。同時，在破膜前，應(yīng)盡量放緩充氣速度，使其將膜片壓破，形成一道穩(wěn)定的激波。（2）肥皂泡的形成 由于肥皂泡本身具有易碎性，所以實驗過程中應(yīng)格外小心，避免肥皂液濺到觀察窗上，影響拍攝效果。我們采用的辦法是，在圓環(huán)上蘸少量的潤滑液。這樣導氣管吹出的球形氣泡很容易吸附在圓環(huán)上，通過從一側(cè)拉到另側(cè)的辦法，即可形成穩(wěn)定的圓柱狀肥皂泡。對于肥皂泡下重力形成的液滴的控制，我們采取在外面先吹出一個小的肥皂泡的辦法，這樣導管前端的肥皂液相對均勻很多，同時肥皂泡中氦氣的濃度也有所提高。另外，為了不影響觀察效果，每次實驗后都需將觀察窗拆下擦拭干凈。（3）時間同步的控制 由于從觸發(fā)信號發(fā)出到火花光源打火會有一定的時間延遲，所以在同步控制時應(yīng)給予考慮進去。在初期的實驗過程中，由于沒有加以考慮，每次都無法有效的捕捉到激波。后來通過示波器測出了觸發(fā)信號和火花光源打火后產(chǎn)生的干擾信號之間的時間間隔，即火花光源打火的時間延遲。在算出的延時中相應(yīng)減去打火的時間延遲，作為信號延時觸發(fā)器的延時，實現(xiàn)了同步的目的。本實驗過程雖說比較復雜，但實驗的重復性比較好，如果操作者能遵守實驗規(guī)則，按照既定步驟進行操作，實驗一般都能順利完成。第三章 實驗結(jié)果與分析本實驗在激波管中開展了平面激波與球形氦氣泡、柱狀氦氣泡相互作用的實驗，得到了界面變形的紋影圖片。 激波管運行的基本參數(shù)室溫T（K）高壓段P4(MPa)低壓段P1(MPa)兩傳感器距離L(cm)經(jīng)過兩傳感器的時間間隔Δt(ms)激波馬赫數(shù)MS實驗值理論值280通過測量出的激波馬赫數(shù)MS=，按照激波管的基本流動理論，可以計算出其他各區(qū)的基本實驗參數(shù)。 各區(qū)的實驗參數(shù)2區(qū)3區(qū)V2(m/s)P2(MPa)T2(K)V3(m/s)P3(MPa)T3(K) 另外，由激波管流動的基本理論，可以知道，當高壓段壓力p4發(fā)生變化時，激波的馬赫數(shù)也相應(yīng)的發(fā)生變化。由于實驗過程中采用的是火花光源單次采集拍攝的辦法，故我們對失穩(wěn)過程的刻畫需要實驗有較強的重復性，實驗過程中，而通過計算可以知道，，在誤差允許的范圍內(nèi)，因此我們可以忽略激波馬赫數(shù)變化帶來的影響。第一節(jié) 激波與球形氦氣泡相互作用的實驗結(jié)果實驗過程中分別用黑白紋影、二維彩色紋影拍攝了激波與球形氦氣泡相互作用的整個物理過程。，圖中的時間表示激波與界面相互作用的不同時刻，激波是從左向右運動的，圖中白線為拍攝到的激波，下面陰影物體為支撐氣泡的吹氣裝置，圓形為供實驗的球狀氦氣泡。a. 激波與界面接觸(1μs)b. 作用后20μsd. 作用后100μsf. 作用后300μse. 作用后200μsc. 作用后30μsg. 作用后500μsh. 作用后600μs 激波與球形氣泡作用的黑白紋影圖片由于傳統(tǒng)的黑白紋影只能顯示一個方向的密度梯度，故我們還用實驗室自行發(fā)展的二維彩色紋影對界面失穩(wěn)的整個過程進行了拍攝，a. 作用后5μsb. 作用后30μs