薄膜射流相互作用實驗探索及軍事應(yīng)用分析

李翔城

(國防科技大學(xué) 理學(xué)院，長沙 410073)

在現(xiàn)有的技術(shù)中，薄膜在軍事上的應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛，但是對于水薄膜的基礎(chǔ)性研究特別是其與其他物質(zhì)進(jìn)行相互作用的研究不多［1-3］。實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)射流和薄膜相互作用時，會產(chǎn)生3 種不同的實驗現(xiàn)象。即“膜流穿透”現(xiàn)象，“膜流融合共振”現(xiàn)象，“過渡階段”現(xiàn)象。本文正是在這種背景下，對射流和肥皂泡薄膜進(jìn)行了實驗探究，進(jìn)行比較詳細(xì)的理論分析。并對射流和薄膜的相互作用相關(guān)軍事應(yīng)用可能性進(jìn)行了探究。

1 理論分析

實驗發(fā)現(xiàn)，液體表面像一張緊的彈性膜，也就是說表面存在著一種張力，稱為表面張力。若在液體表面上想象畫一根線，則該線兩側(cè)的液面相互存在著拉力的作用(圖1)。

圖1 表面張力示意圖

用式子表示為

其中R 為截線長度;γ 稱為表面張力系數(shù)，其數(shù)值等于液面上作用在單位長度截線上的表面張力。

圖1 所示，保持液膜面積不變需加外力。設(shè)使邊向右移動距離則此過程中克服表面張力所做的功為

AB 表示邊移動時薄膜的兩個表面所增加的總面積，所以可以得出:

表面張力系數(shù)等于在等溫條件下液體表面增加單位面積時所增加的表面能。這對應(yīng)于表面積取最小值，可以說明液體表面為何有收縮的趨勢。

把液體流“量子化”，其實液體流并不是連續(xù)的，而是一個個緊密相連的液珠構(gòu)成，這樣問題就簡化成液珠和膜的相互作用模型。

在現(xiàn)有的理論上，定義了韋伯?dāng)?shù)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表示射流的半徑即特征長度;γ 表示水的表面張力系數(shù)，查表可得:γ =26.2 ±0.2 mN/m。韋伯?dāng)?shù)代表慣性力和表面張力效應(yīng)之比，韋伯?dāng)?shù)越小代表表面張力的影響作用越大。

構(gòu)成美術(shù)作品的形式語言要素是點、線、面、體積、色彩、明暗、構(gòu)圖、肌理。美術(shù)形式語言要素構(gòu)成的主要因素是圖像。根據(jù)圖像反映客觀物象的不同情況，可以將美術(shù)作品分成三大類：具象美術(shù)、意象美術(shù)、抽象美術(shù)。

1.1 膜流穿透

特征:韋伯?dāng)?shù)較大，θi較小;因為此時表現(xiàn)的宏觀性越大，可以類比對于大量粒子，主要表現(xiàn)的是波動性，其宏觀表現(xiàn);而對于單個粒子，主要考慮的是其粒子性，即微觀表現(xiàn)。類比把韋伯?dāng)?shù)當(dāng)成宏觀性表現(xiàn)大小［6］。

當(dāng)θi=θr時，膜產(chǎn)生輕微的變化。在相互作用區(qū)域滿足質(zhì)量守恒和動量守恒關(guān)系，即:

在以上方程中，進(jìn)行近似替換:sinθi～θi;sinθr～θr;FR～4πγRi。得出:

1.2 過渡階段

特征:射流的速度較大，而較小，在實驗過程中很難實現(xiàn)。從 理 論 角 度，若 sinθr= 1;sinθi=;則 θi=

1.3 膜流融合［5，6］

特征:韋伯?dāng)?shù)較小，即主要從微觀角度考慮，而較大;在這種情形下，暫且把這種現(xiàn)象理解成膜與射流產(chǎn)生了共振現(xiàn)象。

2 實驗驗證探究及分析

2.1 射流(水流)與肥皂泡膜間夾角影響

表1 角度與類型關(guān)系

當(dāng)?shù)竭_(dá)某一角度時，液流與液膜互相融合，此時液流在液膜中作類似于正弦曲線的運動，呈波動狀態(tài)，且具有一定大小的波長。

當(dāng)夾角較大時，使得We ＞1 較大。隨著之間的夾角不斷減少，We 也不斷減少。說明夾角較大時，影響相互作用的不是射流和肥皂泡膜之間的分子表面張力，而是射流的重力和空氣作用的結(jié)果;但是隨著之間的夾角不斷減少，在平行膜方向上的作用其主要作用。這也初步驗證在參考文獻(xiàn)［4，6］中的所設(shè)立的猜想和探究的結(jié)論。

2.2 射流(水流)速度的影響

通過平拋運動來測量射流的出射速度，在對比實驗中，速度測量如表2。

表2 出射速度記錄

在距離照相機(jī)相同距離的位置放上標(biāo)準(zhǔn)物(位置放在貼近膜的正上方)，利用圖形與原物形狀相似的性質(zhì)，估計波長。

從圖2 中初步可以得到以下結(jié)論:速度越大，產(chǎn)生的波長越長。波長是隨著速度在實驗范圍內(nèi)是單調(diào)遞增的。

圖2 不同速度的現(xiàn)象（左:慢速;右:快速）

2.3 射流的尺寸影響

實驗中，使用注射器，通過插上針頭和不插上針頭進(jìn)行比較，保持其他參數(shù)基本不變，觀察實驗現(xiàn)象。比較液柱的大小，得出以下實驗結(jié)論:

從圖3 和表3 中可以得出，粗流更容易與膜融合，但相對細(xì)流來說，不容易產(chǎn)生“膜流融合”。細(xì)流與膜相互作用時，膜更加容易破裂。

圖3 不同射流尺寸影響（左:粗流;右:細(xì)流）

表3 液柱尺寸特征表

3 軍事應(yīng)用可能性分析

通過以上分析，在軍事上，如果材料允許，可以利用“過渡階段”的性質(zhì)，設(shè)計新式的艦艇，在艦艇的外側(cè)設(shè)計與水相似的材料，使得艦艇在行駛的過程中，極大的減少行進(jìn)阻力。

此外，利用“膜流融合”的性質(zhì)，可以設(shè)計一種海上新型的隱身物體，使得雷達(dá)不能發(fā)現(xiàn)，因為在這個階段，軍事目標(biāo)和海水是融為一體的，這對于以后的海軍高技術(shù)的發(fā)展具有一定的理論借鑒意義。當(dāng)然，其可行性，還有待進(jìn)一步探究。

4 結(jié)束語

以上過程可以清楚了解“膜流穿透”、“過渡階段”、“膜流融合”現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并且通過射流與薄膜之間的夾角，射流速度，射流特征尺寸3 個參數(shù)，對產(chǎn)生這3 種現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的分析。對其軍事上的應(yīng)用可能性分析，得出其軍事應(yīng)用有一定的理論參考價值和設(shè)計價值。實驗數(shù)據(jù)還是不能得到一個精確的結(jié)論，下一步需要探討其他參數(shù)的影響，設(shè)計更好的實驗方法，使問題探索更加完善。

［1］田小平.用彈簧測量液體表面張力系數(shù)的實驗探討［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，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.