高温高压环境下水在金属表面接触角的原位表征与浸润机理研究

Surface wettability is one of the key factors influencing boiling heat transfer. This project aims at performing in situ characterization on the contact angles of water on metallic surfaces in high-temperature, high-pressure environment, and studying the wetting mechanisms as well. First, the static and dynamic contact angles of water on various metallic surfaces will be measured as a function of temperature using the experimental setup equipped with a visualized pressure vessel. Special attention will be paid to the wetting characteristics under transcritical conditions. The measured contact angle data will be analyzed using surface thermodynamics, in order to acquire important macroscopic thermodynamic quantities including interfacial tension, line tension, heat of wetting, and surface entropy. On this basis, a physical model that relates the contact angle with temperature will be developed. Upon choosing the appropriate potential functions, molecular dynamics simulations will be conducted to predict the dynamic wetting process of a nano-sized water droplet on a metallic surface at elevated temperatures and pressures. Combining the results of thermodynamic analysis and molecular dynamics simulations, the wetting mechanisms will be elucidated with respect to the variations of environmental temperature and pressure, and in relation to the microscale transport phenomena at the interfaces, such as adsorption, evaporation, and condensation. The proposed project will not only help explore the fundamental physical phenomenon of wetting of water under variable temperatures, it will also be of great practical significance for in-depth understanding of the boiling heat transfer mechanisms at practical operating conditions encountered in boilers and nuclear reactors, as well as for improving the accuracy of models that predict boiling heat transfer.

表面浸润性是影响沸腾传热的关键因素之一。本项目拟对高温高压环境下水在金属表面的接触角进行原位表征并研究其浸润机理。首先通过带观察窗的压力容器实验台对水在不同金属表面的静态和动态接触角及其随温度的变化规律进行测量，特别关注在跨临界高温高压状态下的浸润特性。采用表面热力学方法对实验数据进行分析，得到界面张力、线张力、浸润热和表面熵等关键宏观热力学参数，并在此基础上发展接触角随温度变化的物理模型。采用合适的势函数模型，实现高温高压下纳米尺度水滴在金属表面微观浸润过程的分子动力学模拟。结合热力学分析与分子动力学模拟的结果阐明温度与压力的变化以及相界面上的吸附、蒸发或凝结等微观热质传递现象对浸润过程的调控机理。本项目的研究结果不仅有助于拓展对水的浸润行为随温度的变化这一基础物理现象的探索，对深入理解在锅炉与核反应堆实际运行工况下的沸腾传热机理以及提高沸腾传热模型的预测精度也具有重要的工程应用价值。

核电的安全发展有助于优化我国能源结构，助力“双碳”目标的实现。以轻水反应堆为例，掌握水在核燃料包层表面上的浸润特性（接触角）是提高沸腾传热预测精度的关键。然而，由于测试条件较为苛刻，高温高压核电实际工况下水的接触角数据还相当匮乏，相应的浸润机制也尚不明确。因此，本项目通过实验测试、表面热力学分析和分子动力学模拟相结合的方法探究了高温高压环境下水在不同固体表面上的浸润行为及其微观机理。通过自主设计搭建的可视化测试平台，在实验中实现的最高测试温度和压力分别为300℃和17 MPa，处于国际先进水平。本项目的研究结果表明，水的接触角随环境温度升高呈现分段线性下降的趋势，且可大致划分成三个区间，即低温区（室温-120℃）、中温区（120℃-240℃）以及高温区（240℃-300℃）。在低温区内，水在金属和非金属表面上的接触角随温度的上升具有缓慢下降或者几乎不变的趋势。然而，当温度高于120℃时，水的接触角急剧地减小。此外，本研究还发现当温度上升至240℃以上时，水在金属和非金属表面上的接触角随温度的上升而轻微地增大或再次变得几乎与温度无关。相较于温度的影响，环境压强对水的接触角的影响则相对较小。水的接触角在低、高温度下具有不同的变化规律：当温度低于100℃，水的接触角与压强呈正相关，而高于100℃的温区内出现了相反的趋势。此外，表面材料和温度对水的接触角具有协同作用，即升高温度将会减弱表面材料对接触角的影响，并且在高温区内不同固体表面的浸润性将会趋于相似。根据表面热力学和吸附理论以及基于分子动力学模拟的微观机理，本研究初步阐明以上实验现象主要是由于温度和压强对界面张力、表面吸附以及分子间相互作用（尤其是氢键）的影响所致。本项目的研究成果对于优化堆芯内的热工水力设计、提高核电站的安全裕度具有重要意义。此外，深入理解水的接触角的温度相关性对理论预测若干关键表面热力学参数（如固体表面张力、表面熵、吸附/浸润热等）也具有重要的参考价值。