当液体中加入表面活性剂后，由于表面活性剂分子的存在，液体的表面张力降低，可以形成比一般液膜更稳定、更薄的皂膜。皂膜已经被广泛应用于实验研究，例如，Cohen等研究了重力作用下超大皂膜泡的形状，并据此提出了类似帐篷、气膜馆等膨胀结构的一种优化外形；Couder等开创性地提出利用平面皂膜模拟二维流动；Chomaz等系统分析了平面皂膜流动与二维流动的相似性。皂膜流动还被广泛应用于研究二维绕流、湍流流动以及流固耦合等问题；此外，由于皂膜中的扰动以表面张力控制的表面波形式传播，传播速度较小，容易产生流速大于波速的“超声速”状态，利用皂膜流动这一特点，可以研究激波传播以及超声速流动问题。

国内学者也广泛开展了皂膜流动实验，针对二维流动、流固耦合、表面张力梯度导致的对流、表面活性剂对皂膜流动的影响以及皂膜与激波相互作用等问题进行了研究。

虽然皂膜流动实验已被大量开展，但在单一实验中，极少会对皂膜流动参数进行全面评估。例如，在利用皂膜流动开展二维扰流或二维湍流研究时，其关注点往往仅限于流场，而对其他参数(如皂膜表面张力系数、皂膜厚度等)的影响，通常予以忽略。在利用皂膜进行激波或超声速研究时，表面张力系数通常借用半无限深流体表面张力系数分析的结果，同时假设皂膜厚度均匀，由此得到一个“声速”，并认为其在皂膜内处处相等。但是，通过红外吸收法测量得到的皂膜厚度显示：即使对于稳定流动，皂膜厚度也并非处处一致，且厚度剖面还会随总流量的变化而变化。此外，对于皂膜这一类极薄液体层，表面张力系数也取决于皂膜厚度。在此情形下，很难认为皂膜内的扰动波传播速度是均匀的。

根据界面所处的状态，表面张力系数测量方法主要分为两类：静态测量方法和动态测量方法。前者基于界面上的力平衡间接测量表面张力系数，包括平板法、挂环法、毛细管上升法、体积法和悬滴法等；后者则是在界面动态变化时对其表面张力系数进行测量，包括最大气泡压力法、振动液滴法、振动射流法和气泡射流法等。这些方法都需要另外构造实验装置，并不是流动皂膜的直接测量方法。

本文基于皂膜边界上的力平衡严格推导了竖直皂膜的边界形状方程，证明了新近文献中的一个半经验公式，并提出了一种新的、更简便易行的皂膜表面张力系数测量方法。对于流动皂膜的厚度，一般采用光学手段进行测量(比如利用皂膜对多个波长可见光的干涉，或利用皂膜对特定波长红外辐射的吸收)，并假定皂膜和水的吸收特性一致。本文结合测得的速度剖面，发展了一种新的皂膜厚度的干涉测量法，在不需假定皂膜吸收特性的前提下以单个波长光源实现厚度测量。在自主搭建的重力驱动平面流动皂膜实验装置上，利用本文提出的方法测量了皂膜的表面张力系数、厚度和流动速度。

1重力驱动平面流动皂膜实验装置

搭建的平面流动皂膜实验装置如图1所示。参考文献，并经反复尝试，本文采用质量比为2:10:88的Dawn牌商用洗碗液+甘油+去离子水混合配制皂液。洗碗液中含有表面活性剂十二烷基硫酸钠，可以降低水的表面张力系数，使皂膜富有弹性，从而具有一定的抗干扰能力；甘油可以增强混合液的黏性，减缓皂膜内部相对运动，使之更加稳定。

图1竖直平面流动皂膜实验装置图

如图1(a)所示，配制的皂液盛于上水箱中，经一个狭长的出水管流出，进入一个由两根直径为0.32 mm的尼龙绳构成的竖直平面流道(实验中，尼龙绳一直处于下方砝码施加的张力作用下)。紧接出水管口的流道为渐扩的扩张段，其下为流道宽度不变的实验段和流道逐渐收窄的收缩段(在本文实验中，扩张段长度X1=45 cm；实验段长度X2=86 cm，实验段入口宽度W=5 cm)。在扩张段，皂液在重力驱动下加速，当重力和空气阻力平衡时充分发展，最终在实验段达到匀速运动，之后经收缩段流入下水箱，再被泵回至上水箱，形成往复循环。

实验启动时，两根尼龙绳贴合在一起；尼龙绳被皂液完全浸润后，缓慢向两侧移动B、C、D和E点的挂钩，分开尼龙绳至指定宽度，在两绳之间形成稳定流动的皂膜。皂膜的平均速度和平均厚度可以通过调节泵的流量加以控制。当泵的流量Q=5~60 mL/min时，可以得到平均速度u=1~4 m/s、平均厚度h=3~9μm的稳定竖直流动的平面皂膜。

下文对该平面流动皂膜进行力平衡分析，并由此推导出一种测量皂膜表面张力系数的方法；利用激光干涉法测量皂膜厚度，并简要介绍皂膜速度的测量。