CN110174339A - 一种多物理场耦合微观渗流实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多物理场耦合微观渗流实验装置及方法，由计算机、支架、注射泵、光学显微镜、激光发射器、液囊/气囊等构成。液囊/气囊中流体通过注射泵产生符合试验要求的压力及流量。注射泵中流体经过硅胶管以及电磁阀、流量计、压力表进入渗流试验样品。渗流实验样品放置在支架上，通过光学显微镜可以观察到渗流样品内部的渗流流体形态。通过安装在显微镜上的高速摄像头将图像等数据采集到计算机当中。本发明解决了以往微观渗流试验只能观察流动状态而不能得出渗流过程中流体速度的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种微观渗流实验装置，尤其适用于高校教学和科研院所渗流流场定量实验研究，是一种研究微观渗流场各种参数和非牛顿流体流动特性的实验装置。
背景技术
渗流是一种非常复杂的过程，很多流动规律有待研究，如果单纯用数理分析，在多数情况下难以得出正确结果，从而必须依赖于实验来探索规律、验证理论、解决生产实际问题。渗流流场显示和渗流流场模拟是流体力学发展的两大核心任务，其中流场的显示技术是为了更好的从直观上了解整个流场的分布，掌握流动特点，帮助建立理论分析模型，而且可以从流动图像中获得信息，检验理论分析结果，发现新的现象。
目前的微观渗流试验装置和方法很多，但很多试验方法以及装置的尺度集中在微米级别，试验结果只能得出流体在渗流过程中的流动形态而无法得出渗流过程中的速度。本发明的渗流实验的尺度可以达到纳米级别，试验结果则可以得到渗流过程中的速度、压力、温度等。相较于以往的试样方法和装置有较大的进步。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种造价较低，便于操作，功能齐全，安全可靠，能够用于高校教学和渗流流场定量实验研究的一种多物理场耦合微观渗流实验装置。
一种多物理场耦合微观渗流实验装置，由流体产生实验系统、流场显示与图像数据采集系统、流体回收系统组成；流体产生实验系统、流场显示与图像数据采集系统与流体回收系统之间通过硅胶管相连接；流体产生实验系统、流场显示与图像数据采集系统通过硅胶管连接；流体产生实验系统位于最左侧，流体回收实验系统位于最右侧，其余实验装置位于流体回收实验系统与流体产生实验装置之间。渗流实验试样通过飞秒激光技术进行制造放置于支架载物台上并可随时进行更换。
进一步的，流体产生试验系统由液囊/气囊、注射泵、硅胶管、电磁阀、输入压力表和输入流量计组成；液囊/气囊通过硅胶管与注射泵相连接，液囊/气囊内的流体通过注射泵产生符合试验要求压力和流量；注射泵的控制装置通过数据线与电子计算机相连接；液囊/气囊与注射泵的数量可以是一个或多个以便进行多场(相)耦合试验；注射泵通过硅胶管与支架载物台相连接，硅胶管上依次接有电磁阀、输入压力表和输入流量计；实验流体经硅胶管进入渗流试验样品中。
进一步的，流场显示与图像数据采集系统由支架、倒置光学显微镜、激光发射器、渗流实验样品、二分镜、高速摄像机、载物台等组成；倒置光学显微镜位于整个实验装置的最底部，其控制装置通过数据线与电子计算机相连；载物台规定在支架上位于支架最上部；激光发射器固定于支架位于载物台下部，其控制装置通过数据线与电子计算机相连接，发射出固定频率的激光；二分镜固定在支架上，位于倒置光学显微镜与激光发射器之间；激光发射器发射的激光通过二分镜照射在渗流试样上；操作人员通过倒置光学显微镜目镜可以观察渗流流场形态；利用特殊的飞秒激光制作的渗流实验样品固定于支架的载物台上；高速摄像机位于倒置光学显微镜物镜处通过电子计算机的控制可对渗流流场进行拍照并通过数据线传至计算机。
进一步的，流体回收系统由水箱、硅胶管、输出压力表、输出流量计组成；硅胶管一端与水箱相连一端与渗流试样中渗流流体出口相连接；硅胶管与渗流样中渗流流体出口相连一端依次连接输出压力表、输出流量计。
进一步的，本装置采用microPIV技术，利用激光照射散布于渗流试验样品中的荧光颗粒，再辅以图像处理技术以及相关性分析就可以得出流体渗流过程中的的速度场、压力场、温度场等；首先开启流体产生实验系统产生符合要求的实验流体；其次打开流场显示与图像数据采集系统采集数据；利用飞秒激光技术制作的渗流试验样品放置于支架载物台中央，高速摄像机采集的图像数据通过数据线传输至电子计算机；在电子计算机上使用显微镜配套软件和Matlab软件对荧光颗粒的浓度和发光强度进行标记和识别以及相关性分析就可以得出流体运动的速度场、压力场、温度场等。
本发明的流场显示实验方法，计算机发出“注射泵启动”指令，指令通过数据线将该指令传到注射泵控制装置，注射泵开始启动产生一定压力和流量的流体，并通过硅胶管电磁阀、输入流量计、输入压力计进入渗流实验试样。然后计算机执行“激光法发射器启动”指令，指令通过数据线将该命令传至激光器控制装置，激光发射器开始启动发射出固定频率的激光。激光通过二分镜照射到渗流试验试样上；此时即可通过倒置光学显微镜观察渗流流场的形态；如需进行拍照则利用计算机执行“开始记录”指令，指令通过数据线传至高速摄像机控制装置，照相机按照设定的间隔开始拍照，照片通过数据线实时传至计算机进行实验结果分析处理。
有益效果：在制作渗流试验试样时利用了飞秒激光技术，可以在玻璃内部制作不同尺度和形状的图案可进行从微观到宏观，从简单到复杂的微观渗流试验。利用渗流流体发生装置中的注射泵对流体的流速和压力进行控制，简单可靠而且将注射泵数量进行增加即可进行多相流渗流研究，一物多用，改造简单。试验流体经过渗流试验试样后通过硅胶管、水槽、气囊等进行回收集中处理，不产生废水废气废渣安全环保便于实验开展。主体试验装置安装时调试后全部由计算机进行控制，操作简单、上手容易。图像数据采集控制装置可以将实时实验数据传输到计算机中，为实验提供最准确及时的数据信息。综上所述本发明造较低，便于操作，功能齐全，安全可靠。
相比现有技术，本多物理场耦合微观渗流实验装置及方法，对渗流试验样品进行调节可进行从宏观到微观的渗流试验以及研究非牛顿流体在裂隙中的流动特性；对液囊/气囊中的流体进行调节可进行单相到多相乃至于多场耦合的渗流试验；利用飞秒激光特殊工艺制成的渗流试验样品以及先进配套的试验方法可以直观观察到渗流场流体形态进而得出渗流流体在样品中的速度场、压力场、浓度场；在飞秒激光制作渗流试验样品时进行控制即可实现一维到三维的渗流试验；综合解决了以往渗透实验装置使用实物岩芯样品不直观，无法得到岩芯内速度场、压力场、浓度场不精确，使用X射线不安全，使用超声波、微波激励等方法价格昂贵的问题。
附图说明
图1是实验装置整体示意图；
图中：液囊/气囊-1，注射泵-2，电磁阀-3，输入压力表-4，输入流量计-5，支架-6，载物台-7，渗流试验试样-8，输出压力表-9，输出流量计-10，水箱-11，电子计算机-12，倒置光学显微镜-13，硅胶管-14，二分镜-15，高速摄像机-16，激光发射器-17，数据线-18；
图2是载物台示意图；
图中：载物台-7，渗流试验试样-8。
具体实施方式
本发明公开了一种多物理场耦合微观渗流实验装置及方法，由计算机、支架、注射泵、光学显微镜、激光发射器、液囊/气囊等构成。液囊/气囊中流体通过注射泵产生符合试验要求的压力及流量。注射泵中流体经过硅胶管以及电磁阀、流量计、压力表进入渗流试验样品。渗流实验样品放置在支架上，通过光学显微镜可以观察到渗流样品内部的渗流流体形态。通过安装在显微镜上的高速摄像头将图像等数据采集到计算机当中。本发明解决了以往微观渗流试验只能观察流动状态而不能得出渗流过程中流体速度的问题。
下面结合附图中的实例对本发明作进一步描述：
如图1所示，该实验装置由液囊/气囊-1，注射泵-2，电磁阀-3，输入压力表-4，输入流量计-5，支架-6，载物台-7，渗流试验试样-8，输出压力表-9，输出流量计-10，水箱-11，电子计算机-12，倒置光学显微镜-13，硅胶管-14，二分镜-15，高速摄像机-16，激光发射器-17，数据线-18组成。计算机-12为实验室用计算机，通过数据线-18分别与注射泵-2、激光发射器-17、高速摄像机-16以及光学显微镜-15相连，实现各装置的集中统一控制；支架-6由钢板和钢筋焊接而成，载物台-7、激光发射器-17、二分镜-15依次从上到下固定于支架上；如图2所示，通过飞秒激光制作的渗流试验试样-8固定于支架载物台-7上；硅胶管-14采用耐酸碱腐蚀的硅胶管；电磁阀-3采用高精度脉冲电磁阀，输入流量计-5采用高精度电磁流量计，输入压力表-4采用精密数字压力表，适用范围广，操作简单；计算机-12通过控制注射泵-2可以实现符合渗流试验要求压力和流量的流体；由计算机-12控制的高速摄像机-16可以实现实时高频率拍照并传输；流体产生试验系统(由液囊/气囊-1、注射泵-2、硅胶管-14、电磁阀-3、输入压力表-4、输入流量计-5组成)、流场显示与图像数据采集系统(由支架-6、激光发射器-17、二分镜-15、高速摄像机-16、倒置光学显微镜-13、渗流试验试样-8、载物台-7组成)、流体回收系统(由输出压力表-9、输出流量计-10、硅胶管-14、水箱-11组成)通过硅胶管连接，硅胶管上接有输入流量计-4、输入压力表-5；液囊/气囊-1中流体经过注射泵-2和硅胶管-14进入固定在支架载物台上由飞秒激光技术制成的渗流试验试样-8然后经过硅胶管-9进入水箱-11进行回收处理；当流体进入固定在支架载物台上由飞秒激光技术制成的渗流试验试样8后，启动激光发射器-17就可以通过倒置光学显微镜-13的目镜进行观察或通过图像数据采集控制装置中的高速摄像机进行拍照。其中，液囊/气囊是指用于盛装流体的可以是液囊，也可以是气囊，二者中任一种均可。
本发明的流场显示实验方法：
1.计算机发出“注射泵启动”指令，指令通过数据线将该指令传到注射泵控制装置，注射泵开始启动产生一定压力和流量的流体，并通过硅胶管电磁阀、输入流量计、输入压力计进入渗流实验试样最后流入水槽进行回收处理。
2.计算机执行“激光法发射器启动”指令，指令通过数据线将该命令传至激光器控制装置，激光发射器开始启动发射出固定频率的激光；激光通过二分镜照射到渗流试验试样上；此时即可通过倒置光学显微镜观察渗流流场的形态；
3.计算机执行“开始记录”指令，指令通过数据线传至高速摄像机控制装置，照相机按照设定的间隔开始拍照，照片通过数据线实时传至计算机进行实验结果分析处理。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种多物理场耦合微观渗流实验装置，其特征在于：它由流体产生实验系统、流场显示与图像数据采集系统、流体回收系统组成，其中，流体产生实验系统包括液囊/气囊、注射泵，流场显示与图像数据采集系统包括一支架及由上而下固定其上的渗流试验样品、激光发射器、二分镜、高速摄像机、倒置光学显微镜，流体回收系统包括一水箱；所述液囊/气囊、注射泵、渗流试验样品、水箱之间通过硅胶管相连接；所述注射泵、激光发射器、高速摄像机通过数据线与计算机相连接。
2.根据权利要求1所述的多物理场耦合微观渗流实验装置，其特征在于：流体产生试验系统由液囊/气囊、注射泵、硅胶管、电磁阀、输入压力表和输入流量计组成；液囊/气囊通过硅胶管与注射泵相连接，液囊/气囊内的流体通过注射泵产生符合试验要求的压力和流量；注射泵的控制装置通过数据线与电子计算机相连接；注射泵通过硅胶管与渗流试验样品相连接，硅胶管上依次设有电磁阀、输入压力表和输入流量计；实验流体经硅胶管进入渗流试验样品中。
3.根据权利要求1所述的多物理场耦合微观渗流实验装置，其特征在于：所述液囊/气囊与注射泵的数量为对应的一组或多组。
4.根据权利要求1所述的多物理场耦合微观渗流实验装置，其特征在于：流场显示与图像数据采集系统由支架、倒置光学显微镜、激光发射器、渗流实验样品、二分镜、高速摄像机、载物台组成；利用飞秒激光制作的渗流实验样品固定于支架的载物台上；倒置光学显微镜位于支架底座上，其控制装置通过数据线与电子计算机相连；载物台固定在支架上位于支架最上部；激光发射器固定于支架位于载物台下部，其控制装置通过数据线与电子计算机相连接，发射出固定频率的激光；二分镜固定在支架上，位于倒置光学显微镜与激光发射器之间；激光发射器发射的激光通过二分镜照射在渗流试验样品上；操作人员通过倒置光学显微镜目镜观察渗流流场形态；高速摄像机位于倒置光学显微镜物镜处，通过电子计算机的控制对渗流流场进行拍照并通过数据线传至计算机。
5.根据权利要求1所述的多物理场耦合微观渗流实验装置，其特征在于：所述渗流试验样品、二分镜与倒置光学显微镜的目镜三者的中心共线且垂直。
6.根据权利要求1所述的多物理场耦合微观渗流实验装置，其特征在于：流体回收系统由水箱、硅胶管、输出压力表、输出流量计组成；硅胶管一端与水箱相连一端与渗流试样中渗流流体出口相连接；硅胶管与渗流样中渗流流体出口相连一端依次连接输出压力表、输出流量计。
7.使用如权利要求1至6任一所述的多物理场耦合微观渗流实验装置的方法，其特征在于：采用microPIV技术，利用激光照射散布于渗流试验样品中的荧光颗粒，再辅以图像处理技术以及相关性分析，得出流体渗流过程中的物性参数；首先开启流体产生实验系统产生符合要求的实验流体；其次打开流场显示与图像数据采集系统采集数据；利用飞秒激光技术制作的渗流试验样品放置于载物台中央，高速摄像机采集的图像数据通过数据线传输至电子计算机；在电子计算机上使用显微镜配套软件和Matlab软件对荧光颗粒的浓度和发光强度进行标记和识别以及相关性分析，得出流体渗流过程中运动的物性参数。
8.根据权利要求7所述的多物理场耦合微观渗流实验装置的使用方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
1)计算机发出“注射泵启动”指令，指令通过数据线传到注射泵控制装置，注射泵开始启动，产生相应压力和流量的流体，并通过硅胶管进入渗流实验试样，最后流入水箱进行回收处理；
2)计算机执行“激光法发射器启动”指令，指令通过数据线传至激光器控制装置，激光发射器开始启动，发射出固定频率的激光；激光通过二分镜照射到渗流试验试样上，通过高倍显微镜观察渗流流场的形态；
3)计算机执行“开始记录”指令，指令通过数据线传至高速摄像机控制装置，高速摄像机按照设定的时间间隔开始拍照，照片通过数据线实时传至计算机进行实验结果分析处理。
9.根据权利要求7所述的多物理场耦合微观渗流实验装置的使用方法，其特征在于：所述流体渗流过程中的运动物性参数包括运动的速度场、压力场、温度场。
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