當液體中加入表麵活性劑後，由於表麵活性劑分子的存在，液體的表麵張力降低，可以形成比一般液膜更穩定、更薄的皂膜。皂膜已經被廣泛應用於實驗研究，例如，Cohen等研究了重力作用下超大皂膜泡的形狀，並據此提出了類似帳篷、氣膜館等膨脹結構的一種優化外形；Couder等開創性地提出利用平麵皂膜模擬二維流動；Chomaz等係統分析了平麵皂膜流動與二維流動的相似性。皂膜流動還被廣泛應用於研究二維繞流、湍流流動以及流固耦合等問題；此外，由於皂膜中的擾動以表麵張力控製的表麵波形式傳播，傳播速度較小，容易產生流速大於波速的“超聲速”狀態，利用皂膜流動這一特點，可以研究激波傳播以及超聲速流動問題。

國內學者也廣泛開展了皂膜流動實驗，針對二維流動、流固耦合、表麵張力梯度導致的對流、表麵活性劑對皂膜流動的影響以及皂膜與激波相互作用等問題進行了研究。

雖然皂膜流動實驗已被大量開展，但在單一實驗中，極少會對皂膜流動參數進行全麵評估。例如，在利用皂膜流動開展二維擾流或二維湍流研究時，其關注點往往僅限於流場，而對其他參數(如皂膜表麵張力係數、皂膜厚度等)的影響，通常予以忽略。在利用皂膜進行激波或超聲速研究時，表麵張力係數通常借用半無限深流體表麵張力係數分析的結果，同時假設皂膜厚度均勻，由此得到一個“聲速”，並認為其在皂膜內處處相等。但是，通過紅外吸收法測量得到的皂膜厚度顯示：即使對於穩定流動，皂膜厚度也並非處處一致，且厚度剖麵還會隨總流量的變化而變化。此外，對於皂膜這一類極薄液體層，表麵張力係數也取決於皂膜厚度。在此情形下，很難認為皂膜內的擾動波傳播速度是均勻的。

根據界麵所處的狀態，表麵張力係數測量方法主要分為兩類：靜態測量方法和動態測量方法。前者基於界麵上的力平衡間接測量表麵張力係數，包括平板法、掛環法、毛細管上升法、體積法和懸滴法等；後者則是在界麵動態變化時對其表麵張力係數進行測量，包括最大氣泡壓力法、振動液滴法、振動射流法和氣泡射流法等。這些方法都需要另外構造實驗裝置，並不是流動皂膜的直接測量方法。

本文基於皂膜邊界上的力平衡嚴格推導了豎直皂膜的邊界形狀方程，證明了新近文獻中的一個半經驗公式，並提出了一種新的、更簡便易行的皂膜表麵張力係數測量方法。對於流動皂膜的厚度，一般采用光學手段進行測量(比如利用皂膜對多個波長可見光的幹涉，或利用皂膜對特定波長紅外輻射的吸收)，並假定皂膜和水的吸收特性一致。本文結合測得的速度剖麵，發展了一種新的皂膜厚度的幹涉測量法，在不需假定皂膜吸收特性的前提下以單個波長光源實現厚度測量。在自主搭建的重力驅動平麵流動皂膜實驗裝置上，利用本文提出的方法測量了皂膜的表麵張力係數、厚度和流動速度。

1重力驅動平麵流動皂膜實驗裝置

搭建的平麵流動皂膜實驗裝置如圖1所示。參考文獻，並經反複嚐試，本文采用質量比為2:10:88的Dawn牌商用洗碗液+甘油+去離子水混合配製皂液。洗碗液中含有表麵活性劑十二烷基硫酸鈉，可以降低水的表麵張力係數，使皂膜富有彈性，從而具有一定的抗幹擾能力；甘油可以增強混合液的黏性，減緩皂膜內部相對運動，使之更加穩定。

圖1豎直平麵流動皂膜實驗裝置圖

如圖1(a)所示，配製的皂液盛於上水箱中，經一個狹長的出水管流出，進入一個由兩根直徑為0.32 mm的尼龍繩構成的豎直平麵流道(實驗中，尼龍繩一直處於下方砝碼施加的張力作用下)。緊接出水管口的流道為漸擴的擴張段，其下為流道寬度不變的實驗段和流道逐漸收窄的收縮段(在本文實驗中，擴張段長度X1=45 cm；實驗段長度X2=86 cm，實驗段入口寬度W=5 cm)。在擴張段，皂液在重力驅動下加速，當重力和空氣阻力平衡時充分發展，最終在實驗段達到勻速運動，之後經收縮段流入下水箱，再被泵回至上水箱，形成往複循環。

實驗啟動時，兩根尼龍繩貼合在一起；尼龍繩被皂液完全浸潤後，緩慢向兩側移動B、C、D和E點的掛鉤，分開尼龍繩至指定寬度，在兩繩之間形成穩定流動的皂膜。皂膜的平均速度和平均厚度可以通過調節泵的流量加以控製。當泵的流量Q=5~60 mL/min時，可以得到平均速度u=1~4 m/s、平均厚度h=3~9μm的穩定豎直流動的平麵皂膜。

下文對該平麵流動皂膜進行力平衡分析，並由此推導出一種測量皂膜表麵張力係數的方法；利用激光幹涉法測量皂膜厚度，並簡要介紹皂膜速度的測量。