表面張力是流體的一項重要基礎熱物性。它在熱力工程、化學(xué)工程及很多工程應用中均有重要意義。表面張力的研究方法有很多種，其中由于理論以及經(jīng)驗、半經(jīng)驗公式進(jìn)行的流體表面張力研究要么精度不高、要么使用范圍非常有限，所以可靠的數據還是來(lái)源于實(shí)驗。近年來(lái)，隨著(zhù)激光技術(shù)的發(fā)展，激光檢測技術(shù)被越來(lái)越多地應用到了測試領(lǐng)域。同樣，越來(lái)越多的科研工作者也開(kāi)始嘗試將激光測試技術(shù)應用到流體的熱物性測量領(lǐng)域。對于表面張力測量，激光散射的方法正在越來(lái)越多的吸引著(zhù)國際研究者的注意，但在國內卻一直沒(méi)有相關(guān)的研究報導。本文在這種情況下，在國內首次系統的開(kāi)展了激光散射法測量液體表面張力的理論和實(shí)驗研究工作，搭建了實(shí)驗系統，并利用該系統對一些清潔汽車(chē)替代燃料的表面張力進(jìn)行實(shí)驗研究。在實(shí)驗研究的基礎上，本文也開(kāi)展了部分流體表面張力推算的理論研究工作。

本文的工作主要包括以下幾個(gè)方面：

1.對激光散射測量液體表面張力的方法進(jìn)行了系統的理論和實(shí)驗研究，詳細的分析了其物理模型以及實(shí)驗中的影響因素，并搭建了實(shí)驗系統。在理論計算的基礎上，首次提出了用光楔作為實(shí)驗中的分光元件，并根據光頻外差原理設計了一種新的光路系統，該系統增強了參考光與散射光的干涉，提高了待測光信號的強度，并使得本文與國際上其他研究者相比采用了較小功率的激光器(20mW)實(shí)現了測量研究工作。在信號處理中采用了信號平均技術(shù)，并通過(guò)實(shí)驗確定了最佳單次掃描時(shí)間為12ms，最佳平均次數為600次，單次測量時(shí)間約為7s。排除了容器尺寸對實(shí)驗的影響，并最終確定容器直徑為106mm。利用水和乙醇對該系統進(jìn)行了表面張力校核實(shí)驗，實(shí)驗誤差小于±2%，整個(gè)實(shí)驗系統與國際先進(jìn)水平相當。

2.針對目前清潔汽車(chē)替代燃料研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，利用新研制的激光散射法測量液體表面張力實(shí)驗系統對柴油和二甲氧基甲烷(C_3H_8O_2)、柴油和碳酸二甲酯(C_3H_6O_3)、柴油和乙醇(C_2H_6O_2)、汽油和二甲氧基甲烷、汽油和碳酸二甲酯、汽油和乙醇混合物的表面張力進(jìn)行了系統的實(shí)驗研究，實(shí)驗測量誤差小于±2%。共獲得126個(gè)表面張力數據點(diǎn)，所獲得的實(shí)驗數據均未見(jiàn)有文獻報導。計算了混合物的過(guò)余表面張力，并把實(shí)驗數據擬合成了成分的函數，擬合的標準偏差不大于0.097mN·m~(-1)。

3.利用汞線(xiàn)法對石英毛細管的內徑進(jìn)行了仔細的標定，在此基礎上，首次利用雙根毛細上升法對碳酸二甲酯飽和液體的表面張力進(jìn)行了系統的實(shí)驗研究。實(shí)驗測量的溫度區間為282~371K，共獲得31個(gè)表面張力數據點(diǎn)。溫度測量不確定度小于±20mK(ITS-90)，表面張力測量不確定度小于±2%。利用兩種溫度函數對表面張力的數據進(jìn)行了擬合，擬合的平均偏差分別為0.0776和0.0270mN·m~(-1)。

4.提出了一種新的用于估算非極性、弱極性流體純質(zhì)或其二元混合物表面張力的對比態(tài)模型，該模型基于兩參考流體并采用了一種新的對比參數計算方程，方程中共使用了四個(gè)參數：臨界溫度Tc、臨界比容Vc、臨界壓力Pc和偏心因子ω，其中偏心因子作為尺度參數，另外三個(gè)用于計算對比表面張力。該模型用于計算純質(zhì)的表面張力時(shí)，采用甲烷和正辛烷作為參考流體；用于計算二元混合物的表面張力時(shí)，采用純組分作為參考流體。利用69種純質(zhì)和20種二元混合物的985個(gè)表面張力數據點(diǎn)進(jìn)行了檢驗計算，其平均偏差分別為0.28mN·m~(-1)和0.20mN·m~(-1)。利用此模型所得的計算結果與實(shí)驗數據吻合良好，特別是該模型用于計算二元混合物的表面張力時(shí)，結果要明顯優(yōu)于文獻中的其他兩種對比態(tài)模型。另外，隨著(zhù)過(guò)余表面張力增大，計算誤差也逐漸增大，當過(guò)余表面張力小于3mN·m~(-1)時(shí)，利用本文方法得到的計算誤差小于0.5mN·m~(-1)。