CN108106981A - 一种饱和多孔介质中液体流动测量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种饱和多孔介质中液体流动测量的方法，属于实验力学测试技术领域。该方法通过将荧光孔隙液体持续向下在多孔透明介质内流动，激光器通过透明产生扇面激光，并进入饱和透明多孔介质中，与流过的孔隙液体内的荧光粒子作用产生激光散斑效应。数码相机在不同时刻拍摄透明饱和多孔介质内的激光散斑平面图像，并进行相关性分析，获取荧光粒子运动的位和速度值及矢量，从而得到孔隙液体流动的速度大小和矢量图。最后结合数码相机的标定参数得到实际的位移和速度值，并得到饱和透明多孔介质中流体的流动速度大小分布和方向。本发明用于研究自然界中饱和多孔介质内部渗流的速度场变化规律，对于研究油气的流动和开采具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于实验力学测试技术领域，涉及一种饱和多孔介质中液体流动测量的方法，特别涉及到采用透明颗粒介质和折射系数相匹配的孔隙液体组成饱和多孔介质并采用数字图像相关技术测量饱和多孔介质中孔隙流体流动的一种方法。
背景技术
多孔介质如岩石、砂、土体、谷物、工业生产颗粒制品等在自然界和工业界中是普遍存在的。饱和多孔介质中孔隙液体的流动是科研人员比较关注的一个问题，这一基本问题对于理解多孔介质中液体流动的机理，应用于油气在多孔介质如岩石和土体中的流动，排水和入渗等重要的工程问题都非常重要。多孔介质如岩体中孔隙液体的流动可以用核磁共振成像测量，但是由于这一技术比较昂贵，难以得到普及应用，也难以应用于离散颗粒介质如砂土等。因此，本发明提出了一种基于透明饱和颗粒介质测量孔隙液体流动的方法。
发明内容
本发明提出一种基于饱和透明多孔介质测量孔隙内流体流动的方法，目的是揭示多孔饱和介质内孔隙流体流动的基本规律，从而有助于分析与饱和多孔介质中孔隙流体流动相关的工程问题如油气的流动，堤坝渗流，管涌等问题。
本发明的技术方案：
一种饱和多孔介质中液体流动测量的方法，步骤如下：
步骤一，配置透明多孔介质：采用透明颗粒材料(如石英砂、硅胶颗粒、玻璃珠等)，借助折射仪测出与透明颗粒材料折射系数相匹配的孔隙液体；将透明颗粒材料利用“分层振捣击实法”填充到透明材料制作的渗流模型箱中，之后沿渗流模型箱壁从下向上慢慢注满匹配的孔隙液体，并且将渗流模型箱用塑料膜封闭后抽真空2-4个小时，配置成饱和透明多孔材料介质；
步骤二，搭建图像采集装置，包括数码相机、计算机、激光器和透镜，透镜安装在激光器上，置于渗流模型箱一侧，透镜与激光同轴，激光通过透镜后，照射到渗流模型箱上；激光器和数码相机均与计算机相连；
步骤三，容器中装有荧光孔隙液体，向渗流模型箱中提供荧光孔隙液体，在渗流模型箱的出口处设有收纳烧杯，用于收纳流出的荧光孔隙液体；所述的荧光孔隙液体是在步骤一确定的孔隙液体的基础上添加纳米荧光粒子制得；
步骤四，打开连续扇面激光器，激光器透过透镜在透明多孔材料介质中切出一个平面，平面平行于荧光孔隙液体流动的方向；打开位于渗流模型箱上方控制荧光孔隙液体的阀门，让荧光孔隙液体持续流过饱和透明多孔材料介质；设定数码相机的采集时间间隔为Δt，调整数码相机成像平面的主轴垂直于激光平面，连续采集饱和透明多孔材料介质中的图像；
步骤五：分别对时间间隔为Δt所采集到的前后两幅图像ImgL(t1)和ImgR(t1)进行滤除噪声的处理(如采用低通滤波的方法实现)；然后分别在ImgL(t1)和ImgR(t1)图像上建立n×n个分析窗口，每个分析窗口包含至少3个荧光粒子光斑；寻找ImgL(t1)图像上的每个分析窗口在ImgR(t1)图像上的候选匹配位置，候选匹配位置的判定通过计算两者的相关系数确定，相关系数最大者即为最佳候选匹配位置；通过比对相匹配分析窗口的中心坐标，得到每个窗口的位移和速度，以像素为单位；
步骤六：对得到的位移和速度数据进行后处理，包括局部滤波法处理局部的异常数据和亚像素插值法给出局部缺失或者异常的数据；
步骤七：根据相机的标定参数，由所得的像素表示的位移和速度及窗口的位置得出对应的实际位移、实际速度和窗口的实际位置，进一步绘制渗流的速度场图和向量图。
本发明的有益效果：透明颗粒材料和折射系数相匹配的孔隙液体配置成饱和多孔介质材料，并采用透明渗透仪器和荧光粒子，可以用来研究自然界中饱和多孔介质内部包括岩土材料等渗流的速度场的变化规律，降低研究成本，理解多孔介质中渗流的规律，对于研究油气的流动和开采都有非常重要的意义。
附图说明
图1是饱和多孔介质中液体流动测量装置图。
图中：1数码相机；2计算机；3激光器；4渗流模型箱；5容器；
6收纳烧杯；7透镜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。
一种测量饱和多孔介质孔隙流体流动的方法，其特征在于采用透明颗粒介质和折射系数相匹配的孔隙液体组成饱和多孔介质，透明有机玻璃制作的渗流模型箱4，侧面放置的激光器3和透镜7，分散有纳米荧光粒子的孔隙液体盛放容器5，数码相机1和内插图像采集卡的计算机2组成。带有荧光粒子的孔隙液体不停的向下在多孔透明介质内流动，激光器通过透镜产生扇面激光，并进入饱和透明多孔介质中，和流过的孔隙液体内的荧光粒子作用产生激光散斑效应。数码相机在不同时刻拍摄透明饱和多孔介质内的激光散斑平面图像。对不同时刻的两幅图像进行相关性分析，从而获取荧光粒子运动的位和速度值及矢量，也即可得到孔隙液体流动的速度大小和矢量图(荧光粒子和孔隙流体的流速相同)。最后结合数码相机的标定参数得到实际的位移和速度值，从而得到饱和透明多孔介质中流体的流动速度大小分布和方向。
其具体实施方案如下：
步骤一：购置透明熔融石英颗粒材料，直径在0.1-2.0mm，并用阿贝折射仪测定石英颗粒的折射系数；
步骤二：用两种不同的有机溶液(食品级白油和正十二烷)配置透明孔隙液体，混合后液体的折射系数和熔融石英颗粒的折射系数相同；
步骤三：用透明有机玻璃材料制作渗流模型箱4，渗流模型箱4截面为方型，由透明有机玻璃制作，截面为方形7cm×7cm，并制作两块透水石，一块放置在渗流模型箱4的底部；另一块等试样准备好后，放置在试样的上面。
步骤四：将熔融石英颗粒材料采用落雨法用漏斗分层在渗流模型箱4内沉积，保持漏斗与下面材料的距离为4cm,配置成较疏松的状态。用一个塑料软管把配好的孔隙液体从渗流模型箱底部引入试样内，驱赶走空气，配置成饱和透明多孔介质材料。
步骤五：与步骤二相同，另外配置透明孔隙液体，配好后将纳米荧光粒子加入，用搅拌棒搅拌不少于5分钟，让纳米荧光粒子均匀分布在溶液中得到荧光孔隙液体。
步骤六：打开盛放荧光孔隙液体容器5的控制阀门，让分布有纳米荧光粒子的孔隙液体沿塑料管流入饱和透明多孔介质材料，打开激光光源，设定好数码相机1的位置、焦距和采集时间间隔。荧光粒子在激光的作用下产生强烈的激光散斑，让荧光孔隙液体持续流过饱和透明的石英砂介质，同时启动数码相机1的图像采集功能。连续采集一定数量的图像后停止采集图像并关上荧光孔隙液体的控制阀门。
步骤七：图像的前处理。对图像进行前处理，把噪声背景除去，由于荧光粒子在整个多孔介质的空间中均匀分布，所以采集到的图像中包含不在激光平面的荧光粒子散斑，但是灰度比较低，通过分析不在激光平面的荧光粒子散斑的灰度值，将这一灰度值左右或低于这一灰度值的散斑过滤掉，即采用高通滤波的原理。
步骤八：对时间间隔为Δt的两幅图像进行相关分析，把第一幅图像划分为n×n个小的子窗口，然后把第二幅图像也划分成n×n个小窗口，每个窗口包含至少3个荧光粒子光斑，然后对第一幅图中的每个窗口和第二幅图中的每一个窗口进行相关系数运算，相关系数最大的窗口就是第一幅图中的小窗口发生变形和位移后对应的窗口。若计算得到第一幅图中小窗口I1中心的位置为(m,n),它对应第二幅图中小窗口I2中心的位置为(m+s,n+t)，则第一幅图中的窗口I1分别在两个方向上发生了s和t个像素的位移。
步骤九：利用数码相机1的标定参数，计算窗口中心的实际位置和s,t对应的实际位移值sw,tw和速度vw。
步骤十：绘制速度云度和速度向量场，绘制流线。
Claims (3)
1.一种饱和多孔介质中液体流动测量的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一，配置透明多孔介质：采用透明颗粒材料，借助折射仪测出与透明颗粒材料折射系数相匹配的孔隙液体；将透明颗粒材料利用“分层振捣击实法”填充到透明材料制作的渗流模型箱(4)中，之后沿渗流模型箱(4)壁从下向上慢慢注满匹配的孔隙液体，并且将渗流模型箱(4)用塑料膜封闭后抽真空2-4个小时，配置成饱和透明多孔材料介质；
步骤二，搭建图像采集装置，包括数码相机(1)、计算机(2)、激光器(3)和透镜(7)，透镜(7)安装在激光器(3)上，置于渗流模型箱(4)一侧，透镜(7)与激光同轴，激光通过透镜(7)后，照射到渗流模型箱(4)上；激光器(3)和数码相机(1)均与计算机(2)相连；
步骤三，容器(5)中装有荧光孔隙液体，向渗流模型箱(4)中提供荧光孔隙液体，在渗流模型箱(4)的出口处设有收纳烧杯(6)，用于收纳流出的荧光孔隙液体；
步骤四，打开连续扇面激光器(3)，激光器(3)透过透镜(7)在饱和透明多孔材料介质中切出一个平面，平面平行于荧光孔隙液体流动的方向；打开位于渗流模型箱(4)上方控制荧光孔隙液体的阀门，让荧光孔隙液体持续流过饱和透明多孔材料介质；设定数码相机(1)的采集时间间隔为Δt，调整数码相机(1)成像平面的主轴垂直于激光平面，连续采集饱和透明多孔材料介质中的图像；
步骤五：分别对时间间隔为Δt所采集到的前后两幅图像ImgL(t1)和ImgR(t1)进行滤除噪声的处理；然后分别在ImgL(t1)和ImgR(t1)图像上建立n×n个分析窗口，每个分析窗口包含至少3个荧光粒子光斑；寻找ImgL(t1)图像上的每个分析窗口在ImgR(t1)图像上的候选匹配位置，候选匹配位置的判定通过计算两者的相关系数确定，相关系数最大者即为候选匹配位置；通过比对相匹配分析窗口的中心坐标，得到每个窗口的位移和速度，以像素为单位；
步骤六：对得到的位移和速度数据进行后处理，包括局部滤波法处理局部的异常数据和亚像素插值法给出局部缺失或异常的数据；
步骤七：根据相机的标定参数，由所得的像素表示的位移和速度及窗口的位置得出对应的实际位移、实际速度和窗口的实际位置，进一步绘制渗流的速度场图和向量图。
2.根据权利要求1所述的一种饱和多孔介质中液体流动测量的方法，其特征在于，所述的透明颗粒材料为石英砂、硅胶颗粒或玻璃珠及其他透明颗粒材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种饱和多孔介质中液体流动测量的方法，其特征在于，所述的荧光孔隙液体由纳米荧光粒子均匀分布在孔隙液体中配置而成。
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