表面張力是流體的一項重要基礎(chǔ)熱物性。它在熱力工程、化學工程及很多工程應(yīng)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(shù)據(jù)還是來源于實驗。近年來，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光檢測技術(shù)被越來越多地應(yīng)用到了測試領(lǐng)域。同樣，越來越多的科研工作者也開始嘗試將激光測試技術(shù)應(yīng)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越多的吸引著國際研究者的注意，但在國內(nèi)卻一直沒有相關(guān)的研究報導。本文在這種情況下，在國內(nèi)首次系統(tǒng)的開展了激光散射法測量液體表面張力的理論和實驗研究工作，搭建了實驗系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對一些清潔汽車替代燃料的表面張力進行實驗研究。在實驗研究的基礎(chǔ)上，本文也開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方面：

1.對激光散射測量液體表面張力的方法進行了系統(tǒng)的理論和實驗研究，詳細的分析了其物理模型以及實驗中的影響因素，并搭建了實驗系統(tǒng)。在理論計算的基礎(chǔ)上，首次提出了用光楔作為實驗中的分光元件，并根據(jù)光頻外差原理設(shè)計了一種新的光路系統(tǒng)，該系統(tǒng)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)實現(xiàn)了測量研究工作。在信號處理中采用了信號平均技術(shù)，并通過實驗確定了最佳單次掃描時間為12ms，最佳平均次數(shù)為600次，單次測量時間約為7s。排除了容器尺寸對實驗的影響，并最終確定容器直徑為106mm。利用水和乙醇對該系統(tǒng)進行了表面張力校核實驗，實驗誤差小于±2%，整個實驗系統(tǒng)與國際先進水平相當。

2.針對目前清潔汽車替代燃料研究的熱點問題，利用新研制的激光散射法測量液體表面張力實驗系統(tǒng)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行了系統(tǒng)的實驗研究，實驗測量誤差小于±2%。共獲得126個表面張力數(shù)據(jù)點，所獲得的實驗數(shù)據(jù)均未見有文獻報導。計算了混合物的過余表面張力，并把實驗數(shù)據(jù)擬合成了成分的函數(shù)，擬合的標準偏差不大于0.097mN·m~(-1)。

3.利用汞線法對石英毛細管的內(nèi)徑進行了仔細的標定，在此基礎(chǔ)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行了系統(tǒng)的實驗研究。實驗測量的溫度區(qū)間為282~371K，共獲得31個表面張力數(shù)據(jù)點。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(shù)對表面張力的數(shù)據(jù)進行了擬合，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(shù)計算方程，方程中共使用了四個參數(shù)：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(shù)，另外三個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，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，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個表面張力數(shù)據(jù)點進行了檢驗計算，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(jié)果與實驗數(shù)據(jù)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，結(jié)果要明顯優(yōu)于文獻中的其他兩種對比態(tài)模型。另外，隨著過余表面張力增大，計算誤差也逐漸增大，當過余表面張力小于3mN·m~(-1)時，利用本文方法得到的計算誤差小于0.5mN·m~(-1)。