第ｌ１卷第１期２０１１年１月 科学技术与工程 ⑥Ｖ０１．１１ Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２０１１ １６７１—１８１５（２０１１）１—０１１３—０４ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１ １ Ｓｅｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｎｇ． 刹管法产生瞬态单一空气泡与氙气泡发光 强度的实验测量研究 徐德龙 ＇ 李 涛 洪广英 ， 胡立志’’ （东北石油大学地球科学学院地球物理学系 ，大庆１６３３１８；中国科学院声学研究所 ，北京１００１９０； 大庆方兴投资有限公司，大庆 １６３３１８；长城钻探工程有限公司 ，北京１００１０１） 摘要空化泡内气体对空化泡的产生、生长、崩溃及其发光机理研究有重要意义。基于刹管法，在去离子水与１，２丙二醇中 通过插不锈钢杆和插毛细管产生瞬态单一空气泡与氙气泡，测量了三种情况下气泡空化发光的强度，拍摄了ｌ，２丙二醇中瞬 态单氙气泡空化过程的高速照片。实验结果表明：插杆产生的空气泡的发光强度大于插毛细管产生的空气泡的发光强度，而 插毛细管产生的空气泡与氙气泡的发光强度比较接近，瞬态单氙空化气泡接近于球形。分析了这些新现象产生的原因。 关键词刹管法 空化 瞬态单泡 发光强度 中图法分类号０４２７．３； 文献标志码Ｂ 空化指的是在液体或固体中气泡的形成和活 动。该现象自发现以来已经应用到众多领域，人们 也观察到了许多与之有关的新现象，如空化发光、 空化噪声、空化冲击波、空化活度等。空化泡内部 的物理性质很独特，但由于气泡太小而无法进行直 接的测量，因此空化发光就成为研究气泡内部状态 的一个重要途径。 光强度得到明显加强 Ｊ。利用这一特点，对其特 性的测量发现了很多新颖而有特色的结果 。 与稳态单泡不同，瞬态单一气泡指的是气泡在 液体中只存在一个周期，并在此期间半径增大到初 始半径的至少两倍（通常是很多倍）以上。早在 １９６４年，中国科学院声学研究所的汪承灏、张德俊 等就利用流体动力方法在实验中产生了瞬态单一 气泡，并观测到气泡的电磁辐射 Ｊ。近年来，中国 科学院声学研究所重新开展了瞬态单一气泡的研 究工作，在多种实验液体中均观察到明显的空化发 光现象 Ｊ。 人们研究最早的、最广泛的是多泡空化发光现 象。但直到２０世纪８Ｏ年代末，人们对空化发光的 机理了解甚少。这主要因为气泡成群产生，影响因 素较多，环境比较复杂，实验观察和理论分析都比 较困难。１９９０年，Ｇａｉｔａｎ在实验室里设法产生了稳 本文利用刹管法，在去离子水和１．２丙二醇中 态单一空化气泡¨Ｊ，为空化发光的研究开拓了宽阔 的道路。所谓稳态指的是气泡在液体中停留在相 同的位置，能持续一段时间地经历生长、收缩的周 用插杆的方法产生瞬态单一空气泡，在此基础上， 改用插毛细管的方法产生了瞬态单一空气泡与瞬 态氙气泡，并将他们的发光强度进行了对比，发现 了一些新的现象。 期性振荡。实现稳态单泡发光以来，人们就通过测 量的光谱推断空化泡内的温度，并且发现在水等少 数液体中通入少量稀有气体后可以观察到空化发 ２０１０年１１月２日收到 国家自然科学基金重点项目（１０４３４０７０）、 国家自然科学基金面上项目（１０８０４１１８）资助 第一作者简介：徐德龙（１９７６～），山东省蓬莱市人，副教授，博士。 研究方向：超声学物理与探测。 １实验装置与条件 采用文献［６］中的实验装置，插不锈钢杆的情 况也与之相同。 插毛细管的情况就是将原装置中的不锈钢杆 用一玻璃毛细管替换。毛细管长１０５ ｃｍ，内径 １１４ 科学技术与工程 １１卷 （０．４～０．５）ｍｍ，上端有一阀门，在管中充满气体后 可以关闭。下端拉尖，尖口内径为０．２ ｍｍ，从下端 插入一根长５９０ ｍｍ，直径０．１２ ｍｍ的铜丝。 插毛细管产生空气泡或氙气泡就是往管中充５ ｍｉｎ相应气体，排净管内原有气体，然后将管插入液 体，关闭管上端阀门，将管固定好。杆或毛细管距 玻璃管底５ ｃｍ。 实验液体分别为煮沸冷却的去离子水和１，２丙 二醇（分析纯），在玻璃管中的液面高度为４０ ｃｍ。 在实验之前对管中的液体除气。保持气压在０．１ ａｔｍ除气约１０ ｍｉｎ。弹簧的拉伸距离是８ ｅｍ。 Ｈａｍａｍａｔｓｕ Ｒ２１２型的光电倍增管（ＰＭＴ）距离杆或 毛细管中心８ ｃｍ。ＰＭＴ的单光电子电压（ｓｉｎｇｌｅ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ）如图１所示，约为一５ ｍＶ。 ＞ 量 图１单光电子电压曲线 ２发光强度的实验测量结果与分析 在去离子水和１，２丙二醇中分别用插杆产生空 气泡，插毛细管产生空气泡和氙气泡。ＰＭＴ测得的 发光强度结果见图２和图３。由图可知： （１）１，２丙二醇中三种气泡的发光强度均远大 于对应去离子水中气泡的发光强度； （２）对同一种液体，插杆产生的空气泡的发光 强度大于插毛细管产生的空气泡与氙气泡的发光 强度；毛细管中产生的空气泡与氙气泡的发光强度 比较接近。 童 爱 甏 图２去离子水中气泡与空化发 图３ １，２丙二醇中气泡与空化发 对于液体性质与发光强度的关系，文献［６］中 已经进行了分析，认为是与液体的饱和蒸汽压、黏 度、表面张力等有关。本实验中，插杆空气泡的发 光强度大于插毛细管空气泡的情况，分析后认为原 因是前者空化泡的最大半径与初始半径的比（Ｒ ／ Ｒ ）大于后者，即前者的空化泡内气体比后者压缩 得更极端。毛细管中产生的空气泡与氙气泡发光 强度相近的情况，可能是由于空气中含有１％氩气， 而空气的主要成分为氮气，氮气中含有１％氩气时 发光强度与纯的氙气的发光强度接近。这一点可 以参考文献［２］。文献［２］中在氮气中混有ｌ％氩 气时得到的结果与本实验结果比较类似。 ｌ期 徐德龙，等：刹管法产生瞬态单一空气泡与氙气泡发光强度的实验测量研究 １ １５ ３ １，２丙二醇中瞬态氙气泡的高速照片 除去发光强度上一些新的发现之外，我们在实 验中观察到１，２丙二醇中插毛细管产生的瞬态单泡 的形态也与文献［６］中丙酮插杆产生瞬态单泡的形 状也略有不同。这次实验中的瞬态单泡更接近于 球形。分析后认为是由于毛细管中气体的量较多， 气泡拉伸与压缩比较容易。 ４结论 本文利用刹管法，在去离子水与１，２丙二醇中 通过插不锈钢杆和插毛细管分别产生了瞬态单一 空气泡与氙气泡。结果是插杆产生的空气泡的发 光强度大于插毛细管产生的空气泡的发光强度，而 插毛细管产生的空气泡与氙气泡的发光强度接近。 通过简单的分析，认为这一新现象与稳态单泡的实 验结果有相似之处。实验中拍摄的１，２丙二醇中瞬 态单一氙气泡空化过程的高速照片接近于球形。 本文虽然只是在实验上对两种液体的瞬态单 泡空化进行了简单测量和分析，但其结果可为刹管 法实验手段的完善、瞬态气泡新特征的搜索以及对 其内部状态的了解提供参考。在今后的实验中，将 进一步完善实验系统，争取实现瞬态单泡光谱的测 量，以对空化气泡内部的极端物理条件、空化发光 机理等有更为完善、可靠的理解。 ５致谢 本文的工作部分得到了大庆油田有限责任公 司勘探部研究生基金的资助，另外还得到了中科院 声学所声空化课题组的资助和该组李超博士的帮 助，在此表示感谢。 参考文献 Ｉ Ｇａｉｔａｎ Ｄ Ｆ，Ｃｒｕｍ Ｌ Ａ，Ｃｈｕｒｃｈ Ｃ Ｃ，ｅｔ ａ１．Ｓｏｎｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ａｎｄ 图４插毛细管产生瞬态单一氙气泡的高速照片 ｂｕｂｂｌｅ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｆｏｒ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｓｔａｂｌｅ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｂｕｂｂｌｅ．Ｊ Ａｅｏｕｓｔ Ｓｏｃ Ａｍ，１９９２；９１（６）：３１６６—３１８３ １１６ 科学技术与工程 １１卷 ２ Ｈｉｌｌｅｒ Ｒ，Ｗｅｎｉｎｇｅｒ Ｋ，Ｐｕｔｔｅｒｍａｎ Ｓ Ｊ．ｅｔ ａ１．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｎｏｂｌｅ ｇａｓ ｄｏ— ｓｏｎｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ．Ｐｈｙｓ Ｒｅｐ．１９９７；２８１：６５—１４３ ｐｉｎｇ ｉｎ ｓｉｎｇｌｅ—ｂｕｂｂｌｅ ｓｏｎｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ．Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９４；２６６（１４）： ２４８—－２５Ｏ ５汪承灏，张德俊．单一空化气泡的电磁辐射和光辐射．声学学报， １９６４；１（２）：５９—６８ ６ Ｗｕ Ｘ Ｍ，Ｙｉｎｇ Ｃ Ｆ，Ｌｉ Ｃ．Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｏｆ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｓｉｎｇｌｅ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｂｕｂｂｌｅｓ ｉｎ ｎｏｎ－ａｑｕｅｏｕｓ ｌｉｕｉｑｄｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍｏｄｉｉｅｄ ｔｆｕｂｅ－ａｒｒｅｓｔ ３ Ｆｌａｎｎｉｇａｎ Ｄ Ｊ，Ｓｕｓｌｉｃｋ Ｋ Ｓ．Ｐｌａｓｍａ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓ— ｕｒｅｍｅｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｓｉｎｇｌｅ－ｂｕｂｂｌｅ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ．Ｎａｔｕｒｅ，２００５；４３４（３）： ５２—５５ ４ ＢａｒｂｅｒＢ Ｐ，ＨｉｌｌｅｒＲＡ，ＬｏｆｓｔｅｄｔＲ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｆｉｎｉｎｇｔｈｅ ｕｎｋｎｏｗｎｓ ｏｆ ｍｅｔｈｏｄ．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２００５；１４（５）：９９９－－１００５ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｌｕｍｉｎｏｕｓ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ａｉｒ Ｂｕｂｂｌｅｓ ａｎｄ Ｘｅｎｏｎ Ｂｕｂｂｌｅ Ｕｓｉｎｇ Ｔｕｂｅ—ａｒｒｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ＸＵ Ｄｅ—ｌｏｎｇ ，ＬＩ Ｔａｏ ，ＨＯＮＧ Ｇｕａｎｇ．ｙｉｎｇ ，ＨＵ Ｌｉ—ｚｈｉ ， （Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅ Ｆａｃｕｌｔｙ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ，Ｄａｑｉｎｇ １６３３ １８，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ； Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ，ＢｅＯｉｎｇ １００１９０，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ； Ｄａｑｉｎｇ Ｆａｎｇｘｉｎｇ Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ ，Ｄａｑｉｎｇ １６３４５３，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ； Ｇｒｅａｔｗａｌｌ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１０１，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ ｇａｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｂｕｂｂｌｅ ｈａｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ，ｇｒｏｗｉｎｇ，ｃｏｌｌａｐｓｉｎｇ， ａｎｄ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｂｂｌｅ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｕｂｅ—ａｒｒｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ａｉｒ ａｎｄ ｘｅｎｏｎ ｂｕｂｂｌｅｓ ａｒｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｉｎｓｅｒｔｉｎｇ ａ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｒｏｄ ａｎｄ ａ ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｉｎ ｄｅｉｏｎｉｚｅｄ ｗａｔｅｒ ａｎｄ １，２ ｐｒｏｐａｎｅｄｉｏｌ ｒｅ— ｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｍｅａｎｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｌｕｍｉｎｏｕｓ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ｃａｓｅｓ ａｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ，ａｎｄ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｐｈｏｔｏｓ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｘｅｎｏｎ ｂｕｂｂｌｅ ｉｎ ｔｌ，２ ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ａｒｅ ｔａｋｅｎ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ：ｔｈｅ ｌｕｍｉｎｏｕｓ ｉｎ— ｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒ ｂｕｂｂｌｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｒｏｄ ｃａｓｅ ｉｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｉｎ ｃａｐｉｌｌａｒｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｌｕｍｉｎｏｕｓ ｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓ ｏｆ ａｉｒ ｂｕｂｂｌｅ ａｎｄ ｘｅｎｏｎ ｂｕｂｂｌｅ ｂｏｔｈ ｉｎ ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｌｕｍｉｎｏｕｓ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｏｒｄｅｒ，ｔｈｅ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｔｒａｎ— ｓｉｅｎｔ ｘｅｎｏｎ ｂｕｂｂｌｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｉｓ ｎｅａｒｌｙ ｓｐｈｅｒｉｃａ１．Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ｔｕｂｅ ａｒｒｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｓｉｎｇｌｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｂｕｂｂｌｅ ｔｈｅ ｌｕｍｉｎｏｕｓ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ
