《力学园地》编辑部：

近日在学术期刊上读到一篇关于气泡动力学的综述文章，非常感兴趣，因为过去从未接触过这个领域。能介绍一些相关的知识吗？谢啦！

一名在读的大四学生

2026.3.25

起泡酒，气泡流及气泡动力学

萤火 怡心

说到起“起泡酒”，人们第一时间想到的可能就是香槟。可能喝过香槟的人都会记得，当把香槟倒入杯中时，就会有无数的气泡从杯底不断冒出，形成一条条直线上升的泡沫链（参见图1）。这种现象非常美丽，也非常稳定，即使过了一段时间，泡沫链仍然保持直线形状。但是，如果我们换成其他的饮品，比如啤酒或者苏打水，就会发现它们中的气泡链在上升时的轨迹呈三维锥形，不再是直线状，故而从侧面看起来像是多个气泡在同时上升。图2中展示了这两种泡酒形态的不同。这意味着气泡链并不稳定。这是为什么呢？香槟中有什么特殊的成分或机制让泡沫链如此稳定吗？

图1 香槟中的气泡链呈直线上升（图片来源：网络）

图2 两种“起泡酒”形态的比较：香槟（左）和啤酒（右）（图片来源：网络）

美国布朗大学的罗伯特·泽尼特（Roberto Zenit）是一名专门研究气泡的工程学教授，他也注意到了这一现象。他直觉地认为，在气泡饮料中，向上移动的气泡应该遵循一条不稳定的路径才对。因为每个液体中的气泡在上升的过程中都会产生尾流，而这种尾流会对后续气泡施加了一个非均匀的速度场扰动，这样气泡不再会持续以直线形式上升，整体的气泡群呈现出一个倒置的圆锥或V字的形状。这就是我们开头提到的啤酒或者苏打水气泡链并不稳定的原因。为了揭开这个谜题，泽尼特与来自法国图卢兹大学的研究人员进行合作，通过一系列数值模拟和物理实验，为香槟气泡线是如何形成的这个问题提供了解释，并将结果发表在了《物理评论·流体》杂志上。泽尼特说：“大多数人从未见过海洋渗漏或曝气池，但他们中的大多数人都喝过苏打水、啤酒或香槟。通过谈论香槟和啤酒，我们的总体规划是让人们了解流体力学在日常生活中的重要性。”

图3 泽尼特等人合作论文发表在《物理评论·流体》杂志（图片来源：参考文献[1]）

他们进行的实验相对简单，有些甚至可以在任何一家酒吧进行。为了观察气泡链，研究人员倒了几杯碳酸饮料，包括佩莱格里诺（Pellegrino）气泡水、特盖特（Tecate）啤酒、凯撒王庄（Charles de Cazanove）香槟，其中还有一款西班牙风格的布鲁特（Brut）。为了研究气泡链及其稳定机制，他们在一个小的矩形有机玻璃容器中装满了液体，并在底部插入一根针，这样他们就可以泵入气体来制造不同种类的气泡链。实验对象的物性参数等在图4中列出，其中选用的流体（Fluid）有水（Water）、啤酒（Beer）、起泡酒（Sparkling wine）和香槟（Champagne），分别给出了它们的物性参数（计有密度ρ，粘性系数µ，表面张力系数σ）以及相应的无量纲参数：邦德数（B_o）、阿基米德数（Ar）、朗缪尔数（La）和马兰戈尼数（Ma）。其中，B_o描述的是浮力与表面张力的比值，Ar描述的是浮力与惯性力的比值，La描述的是表面活性剂的吸附速率与解吸速率的比值，而Ma描述的是由于热毛细效应导致的表面张力差与粘性力的比值。

表1 各种饮品的物理参数以及无量纲参数的数值（取自参考文献[1]）

然后，研究人员逐渐添加表面活性剂或改变气泡大小（可使用不同内径的细针管来控制生成气泡的初始尺寸）。他们发现，当气泡变大时，即使没有表面活性剂，也能使不稳定的气泡链变得稳定。当他们保持一个固定的气泡大小并只添加表面活性剂时，他们发现气泡链同样可以从不稳定状态变成稳定状态。因此，总结来说，要想形成稳定的气泡链，有两种不同的方法：一是添加表面活性剂，二是使气泡变得更大。图4展示了不同条件下的气泡链形貌，其中左边三幅图中气泡尺寸依次增大，右边三幅图中添加的表面活性剂依次增加。这些试验结果表明了上文所述的气泡尺寸和活性剂对气泡链稳定性的影响。

图4 气泡大小和表面活性剂对气泡链稳定性的影响（图片来源：参考文献[3]）

论文中也对这些现象进行了进一步的解释：香槟和其他起泡酒中稳定的气泡链是由于一种叫做表面活性剂的成分在其中起着肥皂状化合物的作用。这些表面活性剂样的分子有助于减少液体和气泡之间的表面张力，使其平滑地上升到顶部。这篇论文的作者泽尼特表示：“理论上，在香槟中，这些充当表面活性剂的污染物是好东西。这些赋予香槟具有液体风味和独特性的蛋白质分子使它们产生的气泡链变得稳定。”他们还在实验中发现：带有大气泡与带有表面活性剂的链尾迹中，气泡的尾迹是相似的。这表明二者在促使气泡平稳上升并维持链状结构的物理机制上是相通的。那么，气泡的尾迹究竟是如何影响稳定性的呢？关键在于尾迹会改变后续气泡所受的“侧向力”的方向。我们可以这样来理解：在不稳定的链中（如苏打水的）：领先气泡的尾迹像一个“侧向推力器”，会把跟踪而来的气泡推开，导致它们左右摇摆，链也就散开了；而在稳定的链中（如香槟的），表面活性剂让气泡表面变得“僵硬”，这从根本上改变了尾迹内部的涡量结构（参见图5）。此时，尾迹产生的侧向力方向发生了反转，从“推开”变成了“拉回”。这个新的力会像磁铁一样，把后续气泡牢牢吸在上升路径的中心线上，从而形成了笔直稳定的气泡链。在图5a和5c中，展示了气泡的运动轨迹，其迹线的无量纲长度为z/R和y/R（其中z和y分别为气泡在垂直和水平方向上的运动距离，R为气泡的半径）。对分别是清洁气泡（图5a）和表面有活性剂（图5c）的气泡所进行的数值模拟的结果表明：清洁气泡后方形成对称的、旋转方向相反的涡旋对，这种涡量结构产生排斥性的正升力（也是上文提到的“侧向力”的概念），因而气泡链是不稳定的（参见图5b）。与此相反，表面涂有活性剂的气泡尾迹中，涡量结构变为非对称的同向涡旋，这种新的涡量分布导致了吸引性的负升力。因而气泡链是稳定的（参见图5d）。所以，内部涡量动力学结构的根本性重组，是侧向力得以反转、气泡链得以稳定的深层物理原因。科学家通过定量分析发现：当气泡表面的涡量生产超过一个临界值时，就会触发这种反转。无论是添加表面活性剂还是增大气泡，其共同点都是增强了表面涡量的产生，从而改变了尾迹的涡量场。

图5 在流体中两个气泡的相互作用（图片来源：参考文献[1]）

在图6中，我们展示了气泡引入速度对气泡链稳定性的影响。这个实验是在纯净液体中进行的，从左到右，气泡引入的速度由 2 毫升/分钟增加到 10 毫升/分钟。

图6气泡引入流速增加对气泡链形态的影响（图片来源：参考文献[1]）

研究人员表示，这项新研究的结果远远超出了对庆祝酒香槟的科学理解。这些发现为理解气泡流中泡簇的形成提供了一个流体力学的总体框架，具有经济和社会价值。它有助于我们理解气泡是如何产生、聚集，以及如何预测它们的外观。下面我们就从更广泛的角度来看看气泡流及其相关的研究与应用场景吧！

从力学上讲，气泡流是一种气液两相流动形态，其中的气相以分散的小气泡形式分布于液相之中，这里的气相为分散相、液相为连续相。在气泡流中，气泡直径小于1毫米时呈球形，尺寸较大时则形态多样。气泡流多数是在垂直管道里发生的，一般情况下气泡和液体都是向上运动的。具体而言，当垂直管内压力低于液相泡点压力时（其中“泡点压力”的定义是：在一定的温度下，液体中出现第一个气泡时的压力），溶解在液体中的气体便可以析出并形成气泡流。气泡质量小因而在液体中浮起向上运动，气体膨胀能量会通过垂直顶推力和气液摩擦作用而举升液体。这个现象在石油自喷井中常常可以见到，它提供了石油喷出的一个附加的动力。当然，气泡流（或称细泡流）只是自喷井流态中的一种，这时气泡速度大于液相速度。我们在起泡酒中只看到气泡上升而几乎观察不到酒水的运动，是因为气泡的举升作用太弱的缘故。气泡流的研究对于理解和优化工业过程（如化工、船舶与海洋、先进制造等）有着重要意义，此外它在环境科学、生命科学和医学等许多领域亦有重要应用价值。同时,在水中结构抗爆和空蚀等很多领域，气泡也是导致危害产生的根源。

所以，关于气泡的研究构成了力学的一个分支学科——气泡动力学，它已经不限于垂直管道中细泡流动了。气泡动力学蕴含着十分丰富的流体力学现象，著名的学术期刊Science曾将气泡动力学行为归为八大奇幻有趣的流体现象之一。它广泛存在于自然界和工程技术界的诸多领域。这里仅以海洋领域为例，就表明气泡动力学研究的重要意义。例如，海底火山喷发会产生直径可达几百米甚至更大的巨型气泡，随着海水一起喷发出来。即使在“平静”的海域里也有气泡的身影，如有报道称百慕大三角海里产生大量气泡曾导致船舶沉没。水下爆炸产生的大尺度气泡（参见图7），具有能量高，频率低和作用时间长等特点，如果它的频率与舰船的一阶固有频率比较接近，能够一次性使得舰船从中间折断。目前，人们正向着深海进发以探取资源，需要设计和制造相关的探测和工程器械，也必须依靠气泡动力学的知识。例如，深海内爆是深海潜水器结构力学设计中必须考虑的重要因素。用于深海勘探的高压气枪震源会产生米量级的大尺度气泡，而且为了勘探更深更远的海底资源和保护海洋生物，需研发更低频的新型气枪，这时气泡动力学在新型低频气枪设计中将发挥更大的作用。此外，空化气泡是海洋/水中航行器水动力学设计中经常遇到的问题，因为空化气泡的溃灭会对结构造成严重剥蚀，并且会辐射噪声。特别是跨介质航行器在跨越水、空介质的时候会产生空化气泡或空穴，这是制约跨介质航行器水动力学设计的关键因素。

图7 水下爆炸大尺度气泡产生的水冢现象（图片来源：参考文献[5]）

我们从气泡酒讲起，谈到气泡流，再到气泡动力学，它们产生的条件、流动的性状、应用的场景等等，不尽然相同，但都属于气液两相流范畴。它在自然界、人们日常生活以及工程技术的诸多领域扮演着重要的角色，这让我们感受到力学的魅力！

参考文献

[1]O. Atasi et al., “Presence of surfactants controls the stability of bubble chains in carbonated drinks,” Phys. Rev. Fluids 8, 053601 (2023).

[2]https://www.brown.edu/news/2023-05-03/champagne-bubbles

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/HsC_1wM4MY3rsI9CMXq_Vg

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/PkpODCeuzuMkjDsUV2ECrA

[5]张阿漫等，气泡动力学研究进展，力学学报，2025，57（1）：1-16