加壓條件下納米水滴在鎳表面上的接觸角隨溫度變化規(guī)律的分子動力學(xué)研究
發(fā)布時間：2021-08-18 03:17
燃煤發(fā)電與核發(fā)電是全球主要發(fā)電方式,在鍋爐與核反應(yīng)堆實際高溫高壓運行工況下,水在金屬壁面會發(fā)生表面沸騰,而表面浸潤性會影響熱能轉(zhuǎn)換與利用效率和設(shè)備安全性。目前針對高溫高壓條件下水在金屬表面浸潤的研究大多停留在接觸角等表觀現(xiàn)象測量,對表面浸潤的微觀機理的研究還十分缺少。本文使用分子動力學(xué)模擬的方法研究水滴在高溫高壓條件下在金屬（鎳）表面浸潤性,從分子層面對潤濕行為進行研究。首先通過對不同溫度的高溫高壓純水體系進行了分子動力學(xué)模擬,得到了在較大的密度范圍內(nèi)（0.4ρc2ρc）高溫高壓水中氫鍵的數(shù)量、鍵能與空間分布規(guī)律。結(jié)果顯示高溫高壓水中的氫鍵數(shù)量與平均鍵能隨其密度的增大而增加,但在ρ>1.4ρc時氫鍵數(shù)量的增長較為平緩;在較高的溫度下氫鍵數(shù)量與平均鍵能更少。高溫高壓水中氫鍵的成鍵空間均勻性隨密度的增大而增加,且隨溫度的升高而增加。其次,對溫度范圍在298 K538 K溫度范圍內(nèi),壓力為7 MPa,15 MPa與20 MPa工況下的球型納米水滴在光滑金屬鎳平板上的浸潤過程進行...
【文章來源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：77 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
沸騰曲線隨表面浸潤性的變化規(guī)律[4]
浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文1緒論4壓上限為2.5MPa[26]。采用這一裝置，他們對水在六種不同高分子表面的接觸角進行了測試，實驗中的環(huán)境氣氛為飽和濕空氣。測量結(jié)果顯示，隨著溫度的升高，在中溫區(qū)內(nèi)接觸角繼續(xù)呈減小的趨勢，并且其減小的速率遠大于低溫區(qū)，即水滴接觸角溫度曲線為兩段分布。從分子間相互作用的角度出發(fā)，Adamson提出了一個基于吉布斯吸附等溫線的可描述接觸角隨溫度變化的理論模型[27]。如圖1.2所示，模型所預(yù)測的水與高分子表面間的接觸角隨溫度呈指數(shù)下降的關(guān)系，其下降趨勢與Petke和Ray的實驗數(shù)據(jù)相符。然而測量得到的變化規(guī)律并非一條光滑的下降曲線，而是可以分為兩個分段線性變化的區(qū)域。這兩個區(qū)域大致上以100°C為分界點。在低溫區(qū)接觸角隨溫度的下降趨勢較緩，但在中溫區(qū)內(nèi)曲線的斜率明顯增大。隨著溫度的升高，在常溫下呈現(xiàn)疏水狀態(tài)（接觸角約90°）的高分子表面逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦佑H水的狀態(tài)。理論模型預(yù)測當溫度進一步升高到一個臨界值時，接觸角將最終變?yōu)?°（即表面將呈現(xiàn)超親水特性）�？上艿礁叻肿硬牧夏蜔嵝缘南拗�，該研究所中觀察的溫度最高僅到170°C，遠低于理論臨界值，故無法對上述理論預(yù)測進行驗證。圖1.2水與高分子表面接觸角隨溫度的變化[27][28]Bernardin[28]等的工作是首次對100℃以上水在金屬表面的接觸角進行測試。他們對溫度范圍為25~170℃，壓力范圍為101.3kPa~827.4MPa的水滴在拋光后的鋁片表面的接觸角進行測量，環(huán)境氣氛是氮氣。如圖1.3所示，在溫度低于120℃時，水滴的接觸角在不同壓力下隨溫度變化的變化不大,且接觸角為90°左右。當溫度高于120℃時，在壓力不變的條件下水滴接觸角隨溫度升高而減少，且壓力更高線性更好，約為-0.55°/℃。
浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文1緒論5圖1.3鋁片上不同壓力下水滴接觸角隨溫度的變化Hayashi等[29][30]與Hirose等[31]搭建的試驗臺在溫度范圍為20℃~300℃，最高壓力達到15MPa這一接近壓水堆的運行工況對水滴在304不銹鋼，鋁，鋯合金等多種不同的金屬表面的接觸角進行測量，環(huán)境氣氛為氮氣與氬氣。這是目前可見文獻中溫度上限最高的金屬表面浸潤性實驗研究。圖1.4左圖為實驗中實際測試中水滴在304不銹鋼表面的靜態(tài)圖像，測出的接觸角如圖5右圖所示�？梢钥闯�，隨著溫度的升高接觸角減小，但在溫度低于120℃時接觸角減小的變化率更低，斜率為-0.14°/℃，120℃~220℃斜率更大，為-0.4°/℃。一個奇怪的現(xiàn)象是，高于220℃時，接觸角幾乎不隨溫度變化而變化還略有上升趨勢，對該現(xiàn)象的機理尚不清楚。圖1.4水與304不銹鋼表面接觸角隨溫度的變化[30]（左：實測圖像；右：變化曲線）對水滴在不同金屬表面的接觸角隨溫度的變化如圖1.5所示，在120℃以下，鋁、不銹鋼與鋯合金接觸角隨溫度減小的斜率大致一樣，其中鋯合金的浸潤性最好，鋁合金最差。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]線張力對接觸角影響的理論分析[J]. 馬學(xué)虎,張宇. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報. 2004(03)
[2]發(fā)展超臨界循環(huán)流化床的討論[J]. 辛建,呂俊復(fù),岳光溪,于龍. 熱能動力工程. 2002(05)
本文編號：3349077
【文章來源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：77 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
沸騰曲線隨表面浸潤性的變化規(guī)律[4]
浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文1緒論4壓上限為2.5MPa[26]。采用這一裝置，他們對水在六種不同高分子表面的接觸角進行了測試，實驗中的環(huán)境氣氛為飽和濕空氣。測量結(jié)果顯示，隨著溫度的升高，在中溫區(qū)內(nèi)接觸角繼續(xù)呈減小的趨勢，并且其減小的速率遠大于低溫區(qū)，即水滴接觸角溫度曲線為兩段分布。從分子間相互作用的角度出發(fā)，Adamson提出了一個基于吉布斯吸附等溫線的可描述接觸角隨溫度變化的理論模型[27]。如圖1.2所示，模型所預(yù)測的水與高分子表面間的接觸角隨溫度呈指數(shù)下降的關(guān)系，其下降趨勢與Petke和Ray的實驗數(shù)據(jù)相符。然而測量得到的變化規(guī)律并非一條光滑的下降曲線，而是可以分為兩個分段線性變化的區(qū)域。這兩個區(qū)域大致上以100°C為分界點。在低溫區(qū)接觸角隨溫度的下降趨勢較緩，但在中溫區(qū)內(nèi)曲線的斜率明顯增大。隨著溫度的升高，在常溫下呈現(xiàn)疏水狀態(tài)（接觸角約90°）的高分子表面逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦佑H水的狀態(tài)。理論模型預(yù)測當溫度進一步升高到一個臨界值時，接觸角將最終變?yōu)?°（即表面將呈現(xiàn)超親水特性）�？上艿礁叻肿硬牧夏蜔嵝缘南拗�，該研究所中觀察的溫度最高僅到170°C，遠低于理論臨界值，故無法對上述理論預(yù)測進行驗證。圖1.2水與高分子表面接觸角隨溫度的變化[27][28]Bernardin[28]等的工作是首次對100℃以上水在金屬表面的接觸角進行測試。他們對溫度范圍為25~170℃，壓力范圍為101.3kPa~827.4MPa的水滴在拋光后的鋁片表面的接觸角進行測量，環(huán)境氣氛是氮氣。如圖1.3所示，在溫度低于120℃時，水滴的接觸角在不同壓力下隨溫度變化的變化不大,且接觸角為90°左右。當溫度高于120℃時，在壓力不變的條件下水滴接觸角隨溫度升高而減少，且壓力更高線性更好，約為-0.55°/℃。
浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文1緒論5圖1.3鋁片上不同壓力下水滴接觸角隨溫度的變化Hayashi等[29][30]與Hirose等[31]搭建的試驗臺在溫度范圍為20℃~300℃，最高壓力達到15MPa這一接近壓水堆的運行工況對水滴在304不銹鋼，鋁，鋯合金等多種不同的金屬表面的接觸角進行測量，環(huán)境氣氛為氮氣與氬氣。這是目前可見文獻中溫度上限最高的金屬表面浸潤性實驗研究。圖1.4左圖為實驗中實際測試中水滴在304不銹鋼表面的靜態(tài)圖像，測出的接觸角如圖5右圖所示�？梢钥闯�，隨著溫度的升高接觸角減小，但在溫度低于120℃時接觸角減小的變化率更低，斜率為-0.14°/℃，120℃~220℃斜率更大，為-0.4°/℃。一個奇怪的現(xiàn)象是，高于220℃時，接觸角幾乎不隨溫度變化而變化還略有上升趨勢，對該現(xiàn)象的機理尚不清楚。圖1.4水與304不銹鋼表面接觸角隨溫度的變化[30]（左：實測圖像；右：變化曲線）對水滴在不同金屬表面的接觸角隨溫度的變化如圖1.5所示，在120℃以下，鋁、不銹鋼與鋯合金接觸角隨溫度減小的斜率大致一樣，其中鋯合金的浸潤性最好，鋁合金最差。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]線張力對接觸角影響的理論分析[J]. 馬學(xué)虎,張宇. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報. 2004(03)
[2]發(fā)展超臨界循環(huán)流化床的討論[J]. 辛建,呂俊復(fù),岳光溪,于龍. 熱能動力工程. 2002(05)
本文編號：3349077
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