加压条件下纳米水滴在镍表面上的接触角随温度变化规律的分子动力学研究
发布时间：2021-08-18 03:17
燃煤发电与核发电是全球主要发电方式,在锅炉与核反应堆实际高温高压运行工况下,水在金属壁面会发生表面沸腾,而表面浸润性会影响热能转换与利用效率和设备安全性。目前针对高温高压条件下水在金属表面浸润的研究大多停留在接触角等表观现象测量,对表面浸润的微观机理的研究还十分缺少。本文使用分子动力学模拟的方法研究水滴在高温高压条件下在金属（镍）表面浸润性,从分子层面对润湿行为进行研究。首先通过对不同温度的高温高压纯水体系进行了分子动力学模拟,得到了在较大的密度范围内（0.4ρc2ρc）高温高压水中氢键的数量、键能与空间分布规律。结果显示高温高压水中的氢键数量与平均键能随其密度的增大而增加,但在ρ>1.4ρc时氢键数量的增长较为平缓;在较高的温度下氢键数量与平均键能更少。高温高压水中氢键的成键空间均匀性随密度的增大而增加,且随温度的升高而增加。其次,对温度范围在298 K538 K温度范围内,压力为7 MPa,15 MPa与20 MPa工况下的球型纳米水滴在光滑金属镍平板上的浸润过程进行...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
沸腾曲线随表面浸润性的变化规律[4]
浙江大学硕士学位论文1绪论4压上限为2.5MPa[26]。采用这一装置，他们对水在六种不同高分子表面的接触角进行了测试，实验中的环境气氛为饱和湿空气。测量结果显示，随着温度的升高，在中温区内接触角继续呈减小的趋势，并且其减小的速率远大于低温区，即水滴接触角温度曲线为两段分布。从分子间相互作用的角度出发，Adamson提出了一个基于吉布斯吸附等温线的可描述接触角随温度变化的理论模型[27]。如图1.2所示，模型所预测的水与高分子表面间的接触角随温度呈指数下降的关系，其下降趋势与Petke和Ray的实验数据相符。然而测量得到的变化规律并非一条光滑的下降曲线，而是可以分为两个分段线性变化的区域。这两个区域大致上以100°C为分界点。在低温区接触角随温度的下降趋势较缓，但在中温区内曲线的斜率明显增大。随着温度的升高，在常温下呈现疏水状态（接触角约90°）的高分子表面逐渐转变为更加亲水的状态。理论模型预测当温度进一步升高到一个临界值时，接触角将最终变为0°（即表面将呈现超亲水特性）。可惜受到高分子材料耐热性的限制，该研究所中观察的温度最高仅到170°C，远低于理论临界值，故无法对上述理论预测进行验证。图1.2水与高分子表面接触角随温度的变化[27][28]Bernardin[28]等的工作是首次对100℃以上水在金属表面的接触角进行测试。他们对温度范围为25~170℃，压力范围为101.3kPa~827.4MPa的水滴在抛光后的铝片表面的接触角进行测量，环境气氛是氮气。如图1.3所示，在温度低于120℃时，水滴的接触角在不同压力下随温度变化的变化不大,且接触角为90°左右。当温度高于120℃时，在压力不变的条件下水滴接触角随温度升高而减少，且压力更高线性更好，约为-0.55°/℃。
浙江大学硕士学位论文1绪论5图1.3铝片上不同压力下水滴接触角随温度的变化Hayashi等[29][30]与Hirose等[31]搭建的试验台在温度范围为20℃~300℃，最高压力达到15MPa这一接近压水堆的运行工况对水滴在304不锈钢，铝，锆合金等多种不同的金属表面的接触角进行测量，环境气氛为氮气与氩气。这是目前可见文献中温度上限最高的金属表面浸润性实验研究。图1.4左图为实验中实际测试中水滴在304不锈钢表面的静态图像，测出的接触角如图5右图所示。可以看出，随着温度的升高接触角减小，但在温度低于120℃时接触角减小的变化率更低，斜率为-0.14°/℃，120℃~220℃斜率更大，为-0.4°/℃。一个奇怪的现象是，高于220℃时，接触角几乎不随温度变化而变化还略有上升趋势，对该现象的机理尚不清楚。图1.4水与304不锈钢表面接触角随温度的变化[30]（左：实测图像；右：变化曲线）对水滴在不同金属表面的接触角随温度的变化如图1.5所示，在120℃以下，铝、不锈钢与锆合金接触角随温度减小的斜率大致一样，其中锆合金的浸润性最好，铝合金最差。
【参考文献】：
期刊论文
[1]线张力对接触角影响的理论分析[J]. 马学虎,张宇. 应用基础与工程科学学报. 2004(03)
[2]发展超临界循环流化床的讨论[J]. 辛建,吕俊复,岳光溪,于龙. 热能动力工程. 2002(05)
本文编号：3349077
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
沸腾曲线随表面浸润性的变化规律[4]
浙江大学硕士学位论文1绪论4压上限为2.5MPa[26]。采用这一装置，他们对水在六种不同高分子表面的接触角进行了测试，实验中的环境气氛为饱和湿空气。测量结果显示，随着温度的升高，在中温区内接触角继续呈减小的趋势，并且其减小的速率远大于低温区，即水滴接触角温度曲线为两段分布。从分子间相互作用的角度出发，Adamson提出了一个基于吉布斯吸附等温线的可描述接触角随温度变化的理论模型[27]。如图1.2所示，模型所预测的水与高分子表面间的接触角随温度呈指数下降的关系，其下降趋势与Petke和Ray的实验数据相符。然而测量得到的变化规律并非一条光滑的下降曲线，而是可以分为两个分段线性变化的区域。这两个区域大致上以100°C为分界点。在低温区接触角随温度的下降趋势较缓，但在中温区内曲线的斜率明显增大。随着温度的升高，在常温下呈现疏水状态（接触角约90°）的高分子表面逐渐转变为更加亲水的状态。理论模型预测当温度进一步升高到一个临界值时，接触角将最终变为0°（即表面将呈现超亲水特性）。可惜受到高分子材料耐热性的限制，该研究所中观察的温度最高仅到170°C，远低于理论临界值，故无法对上述理论预测进行验证。图1.2水与高分子表面接触角随温度的变化[27][28]Bernardin[28]等的工作是首次对100℃以上水在金属表面的接触角进行测试。他们对温度范围为25~170℃，压力范围为101.3kPa~827.4MPa的水滴在抛光后的铝片表面的接触角进行测量，环境气氛是氮气。如图1.3所示，在温度低于120℃时，水滴的接触角在不同压力下随温度变化的变化不大,且接触角为90°左右。当温度高于120℃时，在压力不变的条件下水滴接触角随温度升高而减少，且压力更高线性更好，约为-0.55°/℃。
浙江大学硕士学位论文1绪论5图1.3铝片上不同压力下水滴接触角随温度的变化Hayashi等[29][30]与Hirose等[31]搭建的试验台在温度范围为20℃~300℃，最高压力达到15MPa这一接近压水堆的运行工况对水滴在304不锈钢，铝，锆合金等多种不同的金属表面的接触角进行测量，环境气氛为氮气与氩气。这是目前可见文献中温度上限最高的金属表面浸润性实验研究。图1.4左图为实验中实际测试中水滴在304不锈钢表面的静态图像，测出的接触角如图5右图所示。可以看出，随着温度的升高接触角减小，但在温度低于120℃时接触角减小的变化率更低，斜率为-0.14°/℃，120℃~220℃斜率更大，为-0.4°/℃。一个奇怪的现象是，高于220℃时，接触角几乎不随温度变化而变化还略有上升趋势，对该现象的机理尚不清楚。图1.4水与304不锈钢表面接触角随温度的变化[30]（左：实测图像；右：变化曲线）对水滴在不同金属表面的接触角随温度的变化如图1.5所示，在120℃以下，铝、不锈钢与锆合金接触角随温度减小的斜率大致一样，其中锆合金的浸润性最好，铝合金最差。
【参考文献】：
期刊论文
[1]线张力对接触角影响的理论分析[J]. 马学虎,张宇. 应用基础与工程科学学报. 2004(03)
[2]发展超临界循环流化床的讨论[J]. 辛建,吕俊复,岳光溪,于龙. 热能动力工程. 2002(05)
本文编号：3349077
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