[发明专利]用于测量高温高压环境下的动态接触角的实验系统及其方法

说明书

本发明公开了一种用于测量高温高压环境下的动态接触角的实验系统及其方法，其特征在于所述的实验系统主要由储气瓶、高压柱塞泵、高压微流量注射泵、液槽、机械压力表、高温高压可视釜、保温罩、机械化测试平台、压力传感器、冷光源、真空泵、真空缓冲容器、冷凝器、背压阀、热电偶、温度控制器、数据采集卡、安全阀、高速摄相机、外磁圈、低转速电机和计算机等装置组成。该实验系统主要包括动态接触角测量，液体进样，高压气体进样，温度和压力监控，光学成像和数据采集几部分。该系统能够满足实验的要求，具备较高的灵活性，可行性和安全性，有助于深入研究液体的浸润行为。

技术领域

本发明属于强化沸腾换热等与表面浸润性有关的研究领域，尤其涉及到高温高压环境下表征水在金属固体表面的动态浸润性的实验研究。

背景技术

表面浸润性是固体的表面特性之一。在基于蒸汽动力循环的火电和核电的换热设备中，金属表面的浸润性直接关系到锅炉和核反应堆内的沸腾和淬火传热性能，如临界热流密度(CHF)、Leidenfrost点和反应堆失水事故等。接触角是表征固体表面浸润性的重要参数，根据是否处于平衡状态，一般可分为静态接触角和动态接触角。静态接触角可用于描述固体表面的平衡条件下的浸润性能。单一的静态接触角不足以充分地表征固体表面的浸润性质，应当同时采用动态接触角进行衡量。实际的固体表面并非理想的光滑均匀表面，存在一定的粗糙度与化学异质性，导致接触角滞后。动态接触角可以分为前进角和后退角，一定程度上反映了固体表面的接触角滞后性质和动态润湿性能。

显然，高温高压环境下的表面浸润性对沸腾和淬火传热性能具有关键的作用。但目前还未有可用于测量高温高压环境下，甚至水的临界状态下固体表面动态接触角的实验装置。有效的实验数据也未得到报道。然而，掌握液体在高温高压环境下的动态浸润实验现象，有助于深入理解液体的高温高压浸润行为。

精确地测量固体表面的接触角面临着较大的挑战，尤其是高温高压环境下动态接触角的测量。测量动态接触角的标准方法有减液法和倾斜板法。加减液法是通过向置于固体平面上的液滴中加减一定量的液体，从而测得前进角和后退角。但是该方法容易对液滴的几何形态造成影响，且不便在高温高压环境下采用该方法。倾斜板法是通过倾斜放置有液滴的固体表面，拍摄液滴将要发生运动时刻的形态，从而通过图像法测得前进角与后退角。但是如何在高温高压环境下灵活地调节固体表面的倾斜角度和如何快速捕捉液滴运动瞬间的形态是该方法的难点。

发明内容

本发明的目的在于设计发明出一个适用于测量高温高压环境下，甚至是接近水的临界状态下液体在固体表面上的动态接触角的可视化实验系统及其方法。本发明采用倾斜板法和光学图像法测定高温高压环境下固体表面的动态接触角。通过螺纹传动，齿轮齿条啮合传动以及磁力传动来灵活地调节倾斜板的倾斜角度。该实验系统能够满足实验的要求，具备较高的灵活性，可行性和安全性。

本发明的技术方案如下：

用于测量高温高压环境下的动态接触角的实验系统，其特征在于所述的实验系统主要由储气瓶、高压柱塞泵、高压微流量注射泵、液槽、高温高压可视釜、保温罩、机械化测试平台、压力传感器、冷光源、真空泵、真空缓冲容器、冷凝器、背压阀、热电偶、温度控制器、数据采集卡、安全阀、高速摄相机和计算机组成；

所述的高温高压可视釜成圆柱体型；釜体轴向两端开设有蓝宝石视窗；釜体侧壁开设法兰接口，法兰接口处安装所述机械化测试平台；釜体壁内嵌入有若干加热管；釜体外壁围有保温罩；

储气罐与高压柱塞泵通过管道相连，形成气体进样部分；高压柱塞泵出口通过管道接入高温高压可视釜内，

液槽、高压微流量注射泵和不锈钢毛细针管顺次相连形成液体进样部分，不锈钢毛细针管插入釜体内，不锈钢毛细针管出口位于机械化测试平台正上方；

冷光源和高速摄像机分别置于高温高压可视釜的轴向两端，形成光学成像部分；高速摄像机将获得的图像传输至计算机；