CN111443022B - 一种利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置及方法，该可视化岩样可模拟单裂隙也可用多块组合模拟多裂隙，带有压力表的加压气囊与加压条和与岩石弹性模量和泊松比一致的透明盖板组成的均化应力装置，具有高精度电子压力表的电动试压泵上连接有起泡仪用于提供渗透压和气泡，可视化装置外安放带有可移动支架的摄像机用于拍摄气泡流径图像。用气泡示踪技术获取气泡在岩石单裂隙中的流动状态，用毫秒级分帧技术处理拍摄视频得到图像，在对图像进行高亮处理，然后用图像数字化技术获得在不同应力条件及不同角度下岩石裂隙中气泡任意流动路径上任意一点开度以及流速矢量。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩石裂隙试验技术领域，尤其是一种利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置及方法。
背景技术
岩石裂隙的开度是描述岩石物理、力学、渗流等特性的重要参数。为了研究岩石的性能，了解其开度至关重要。岩石开度是指结构面缝隙紧密的程度，天然状态下的岩石结构面不仅仅只具有一定的开度，而且往往具有一定的起伏度和粗糙度，其表面非常的不规则，这使得对岩石裂隙开度的准确测量较为困难，传统的测量方法一般有千分表测量法、等效水力隙宽度测量、在荷载作用下裂隙闭合量测量。在以上方法中，千分表测量法假定岩样无荷载，虽然操作简单，但是误差较大且适用范围较小，只适用于裂隙壁面较平坦且开度变化不大的裂隙，而在荷载作用下裂隙闭合量测量这种测量方法的模型过于理想化，所需仪器较多，且每个岩样的弹性模量存在差异，求出的结果与实际误差较大。在以往的岩石裂隙开度测量中都是测得岩石裂隙的平均开度，具有局限性。
发明内容
本发明所要解决的问题是一种利用气泡示踪技术分析气泡在岩石单裂隙中的流径，精确获得在不同应力路径条件和空间多角度耦合下岩石裂隙中气泡流动路径上任意一点开度与流速矢量，并推断出整个岩面开度演化场与流速矢量场以及水流在整个岩面上的稳流层和湍流层。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置，它包括底板，所述底板的顶部支撑有可视化岩样，所述可视化岩样和底板之间设置有用于对可视化岩样进行加压的加压气囊，所述加压气囊与加压装置相连；所述可视化岩样的一侧预留有注水口，另一侧预留有出水口，所述注水口与用于产生气泡的注水装置相连，所述出水口与集水装置相连；所述底板和可视化岩样的外部之间通过固定架相连。
所述可视化岩样包括岩样，所述岩样与通过翻模制作而成的与岩石变形性质一致的透明的类岩石树脂块粘在一起模拟单裂隙，或用多块透明的类岩石树脂块组合模拟多裂隙。
所述加压装置包括储气罐，所述储气罐通过加压气管与加压气囊相连，所述加压气管上安装有压力表。
所述注水装置包括电动试压泵，所述电动试压泵上安装有高精度电子压力表，所述电动试压泵通过水管与注水口相连，所述水管上安装有起泡仪。
所述集水装置包括排水管，所述排水管通过硅橡胶，所述排水管的另一端通过硅橡胶与接水槽相连。
所述固定架包括设置在可视化岩样顶部的盖板，所述盖板的顶部两端分别设置有加压条，所述加压条的两端分别连接有支柱，所述支柱的底端固定安装在底板上，所述支柱的顶部通过螺母压装在加压条的顶部。
两根所述加压条的其中一根靠近注水口，另一端靠近出水口，所述加压条的长度大于可视化岩样的宽度；
所述盖板与岩样的弹性模量和泊松比一致。
所述底板整体支撑安装在万向球铰仪的顶部，以模拟岩石裂隙空间多角度。
在可视化岩样的顶部通过移动支架安装有摄像机。
利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置的实验方法，它包括以下步骤：
步骤1：调节顶部万向球铰仪模拟空间多角度，并使得带有可移动支架的摄像机位置与可视化岩样顶部垂直；
步骤2：打开带有压力表的加压气囊的阀门，通过调节阀门开关来控制由加压条施加在盖板顶部的压力，并通过盖板将施加在可视化岩样上的压力转化得到平均法向应力σ，法向应力σ数值可由压力表读取；
步骤3：开启具有高精度电子压力表的电动试压泵，向可视化岩样的注水口注水并提供一定渗透压，渗透压的数值由高精度电子压力表读取；
步骤4：人工封堵可视化岩样的注水一侧和出水一侧，留出实验需要的气泡流径；
步骤5：用起泡仪每隔一定时间向装置注入一定量气泡，气泡直径远大于裂隙开度值，气泡的投影面积远小于岩样的表面积，每组实验注入气泡量由实验需要确定，利用无影灯进行照射通过带有可移动支架的摄像机录制整个过程；
步骤6：若气泡在流动过程中未分裂，将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理，根据分帧间隔△t，设置帧数
选取想要研究的图像，再对图像进行黑白高亮化处理；将黑白高亮处理后的图像进行图像图层与纯色图层进行混合选项处理，选中需要求得面积的气泡，通过S＝像素/分辨率2×2.542求得单个气泡的投影面积S，其中投影面积S大的气泡反映的该气泡所在区域的平均开度，投影面积S小的气泡反映该气泡所在点的开度；
步骤7：流出的气泡为球体，利用图像数字化技术中的标尺功能得到气泡直径D；由体积公式
求得气泡体积V；
步骤8：气泡在流动路径上体积是恒定的，在岩石裂隙流动过程中气泡形状类似扁平鼓状，在出口处为球体，由于气泡面积S远大于岩石裂隙的开度值d，所以可将扁平鼓状的气泡的侧边用直线代替，根据气泡在各个点的投影面积，采用公式d＝V/S可求得该流动路径上各点岩石裂隙的开度；
步骤9：若观察的气泡在途中分裂成n个气泡，将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理，根据分帧间隔△t，设置帧数
选出分裂前的图像，再对图像进行黑白高亮化处理；将黑白高亮处理后的图像进行图像图层与纯色图层进行混合选项处理，选中需要求得面积的气泡，通过S＝像素/分辨率2×2.542求得分裂前单个气泡的面积S，其中投影面积S大的气泡反映的该气泡所在区域的平均开度，投影面积S小的气泡反映该气泡所在点的开度；
步骤10：流出的气泡为球体，利用图像数字化技术的标尺功能得到分裂后每个气泡半径D1、D2、…Dn；由体积公式
分别对分裂气泡的体积进行求解，可求得分裂后气泡体积V1、V2…Vn；然后利用求和公式：
∑V＝V1+V2+......+Vn对分裂后的气泡体积进行求和得到∑V；
步骤11：气泡在流动过程中体积是恒定的，在岩石裂隙流动过程中气泡形状类似扁平鼓状，在出口处近似为球体，由于气泡面积S远大于岩石裂隙的开度值d，所以可将扁平鼓状的气泡的侧边用直线代替，根据各个点气泡面积，采用公式d＝∑V/S可求得分裂前各点岩石裂隙的开度；
步骤12：将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理，根据分帧间隔△t，设置帧数
选取想分裂后的图像，再对图像进行黑白高亮化处理，将黑白高亮处理后的图像进行图像图层与纯色图层进行混合选项处理，选中分裂后单条路径上所需求面积的气泡，通过S＝像素/分辨率2×2.542求得单个气泡的投影面积Sn，其中投影面积S大的气泡反映的该气泡所在区域的平均开度，投影面积S小的气泡反映该气泡所在点的开度；
步骤13：根据气泡投影面积Sn和气泡对应体积Vn，由公式d＝Vn/Sn求得分裂后各点岩石裂隙的开度；
步骤14：将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理，根据分帧间隔△t，设置帧数
选取想要研究的图像，通过气泡在流动过程中投影面积变化，由公式d＝V/S可推断出岩石裂隙开度变化，投影面积变化大的地方岩石裂隙开度变化大，投影面积变化小的地方岩石裂隙开度变化小，并得到整个岩面的开度演化场；
步骤15：将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理，根据分帧间隔△t，设置帧数
选取Δt1时间内的两张图片，通过图像叠加利用图像数字化技术中的标尺功能读出两个气泡间中心点的距离L，利用公式
求出气泡流速v，同时还可以根据各条路径上气泡的流速矢量做出整个岩样的流速矢量场；
步骤16：用起泡仪每隔一定时间向装置注入一定量混有荧光剂的液态物质，该物质具有不溶于水并与水密度相似的性质，并加入分散剂是使这种液态物质分散成不易聚合的细小液滴，在黑暗环境下用无影灯照射通过带有可移动支架的摄像机录制整个过程；
步骤17：将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理，根据分帧间隔△t，设置帧数
得到小液滴在岩石中的流动曲线图，通过分析图线得到水流在整个岩面中的稳流层和湍流层。
本发明有如下有益效果：
1、通过翻模制作而成的与岩石变形性质一致的透明的类岩石树脂块粘在一起模拟单裂隙也可用多块透明的类岩石树脂块组合模拟多裂隙。
2、通过加压气囊由加压条向裂隙面施加法向应力，使压力稳定，在通过与岩石弹性模量和泊松比一致的透明的盖板如亚克力板能与岩石面均匀接触的特性，将加压条提供的法向应力均匀化。
3、通过万向球铰仪装置可使可视化岩样360°的旋转，可模拟空间任意角度，真正意义上实现了模拟空间多角度裂隙开度状态。
4、通过带有可移动支架的摄像机，可以使摄像机准确对准可视化装置，采用无影灯进行光线照射避免出现重影的现象，使得拍摄图片更加清晰可靠。
5、将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理，根据分帧间隔△t，设置帧数
得到想要研究的图像，再对图像进行黑白高亮化处理，将黑白高亮处理后的图像进行图像图层与纯色图层进行混合选项处理，选中需要求得面积的气泡，通过S＝像素/分辨率2×2.542求得单个气泡的面积S。
6、利用气泡示踪技术并人为封堵可视化岩样的注水一侧和出水一侧可获得岩石裂隙中气泡特定流径。
7、将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理，根据分帧间隔△t，设置帧数
选取想要研究的图像，根据气泡在流径上的投影面积变化和速度变化可以得到岩石裂隙流径上开度平稳分布范围。
8、根据混有荧光剂的液态物质在水中分散成的小液滴在岩样中的流动轨迹图，得到水流在整个岩面的稳流层和湍流层。
9、本发明可以解决原有测量岩石裂隙开度方法的精度低、成本高、仪器多、模型过于理想化等问题，利用人工封堵可视化岩样的注水一侧和出水一侧获得岩石裂隙中气泡特定流径，用气泡示踪技术分析气泡在岩石单裂隙中的流径，用毫秒级分帧技术处理拍摄视频得到图像，再对图像进行高亮化处理，然后图像数字化技术提取图像中的数据确获得在不同应力路径条件和空间多角度耦合下岩石裂隙中气泡任意流动路径上任意一点开度与流速矢量，并推断出整个岩面开度演化场与流速矢量场以及水流在整个岩面上的稳流层和湍流层。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明结构图。
图2为本发明局部示意图。
图3(a)(b)为本发明气泡流径示意图。
图4为本发明中所观察的气泡变化示意图。
图5为开度单裂隙与多裂隙可视化岩样示意图。
图6为气泡实物图。
图7为流速矢量测量方法示意图。
图8为气泡分裂图。
图9为流速矢量场示意图。
图中：底板1、岩样2、类岩石树脂块3、注水口4、水管5、电动试压泵6、支柱7、加压条8、盖板9、加压气囊10、接水槽11、出水口12、硅橡胶13、摄像机14、万向球铰仪15、起泡仪16、螺母17、可视化岩样18。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
参见图1-9，一种利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置，它包括底板1，所述底板1的顶部支撑有可视化岩样18，所述可视化岩样18和底板1之间设置有用于对可视化岩样18进行加压的加压气囊10，所述加压气囊10与加压装置相连；所述可视化岩样18的一侧预留有注水口4，另一侧预留有出水口12，所述注水口4与用于产生气泡的注水装置相连，所述出水口12与集水装置相连；所述底板1和可视化岩样18的外部之间通过固定架相连。
进一步的，所述可视化岩样18包括岩样2，所述岩样2与通过翻模制作而成的与岩石变形性质一致的透明的类岩石树脂块3粘在一起模拟单裂隙，或用多块透明的类岩石树脂块3组合模拟多裂隙。
进一步的，所述加压装置包括储气罐，所述储气罐通过加压气管与加压气囊10相连，所述加压气管上安装有压力表。
进一步的，所述注水装置包括电动试压泵6，所述电动试压泵6上安装有高精度电子压力表，所述电动试压泵6通过水管5与注水口4相连，所述水管5上安装有起泡仪16。
进一步的，所述集水装置包括排水管，所述排水管通过硅橡胶13，所述排水管的另一端通过硅橡胶与接水槽11相连。
进一步的，所述固定架包括设置在可视化岩样18顶部的盖板9，所述盖板9的顶部两端分别设置有加压条8，所述加压条8的两端分别连接有支柱7，所述支柱7的底端固定安装在底板1上，所述支柱7的顶部通过螺母17压装在加压条8的顶部。
进一步的，两根所述加压条8的其中一根靠近注水口4，另一端靠近出水口12，所述加压条8的长度大于可视化岩样18的宽度；
进一步的，所述盖板9与岩样2的弹性模量和泊松比一致。
进一步的，所述底板1整体支撑安装在万向球铰仪15的顶部，以模拟岩石裂隙空间多角度。
进一步的，在可视化岩样18的顶部通过移动支架安装有摄像机14。
实施例2：
利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置的实验方法，它包括以下步骤：
步骤1：调节顶部万向球铰仪15模拟空间多角度，并使得带有可移动支架的摄像机14位置与可视化岩样18顶部垂直；
步骤2：打开带有压力表的加压气囊10的阀门，通过调节阀门开关来控制由加压条8施加在盖板9顶部的压力，并通过盖板9将施加在可视化岩样18上的压力转化得到平均法向应力σ，法向应力σ数值可由压力表读取；
步骤3：开启具有高精度电子压力表的电动试压泵6，向可视化岩样18的注水口注水并提供一定渗透压，渗透压的数值由高精度电子压力表读取；
步骤4：人工封堵可视化岩样18的注水一侧和出水一侧，留出实验需要的气泡流径；
步骤5：用起泡仪16每隔一定时间向装置注入一定量气泡，气泡直径远大于裂隙开度值，气泡的投影面积远小于岩样的表面积，每组实验注入气泡量由实验需要确定，利用无影灯进行照射通过带有可移动支架的摄像机14录制整个过程；
步骤6：若气泡在流动过程中未分裂，将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理，根据分帧间隔△t，设置帧数
选取想要研究的图像，再对图像进行黑白高亮化处理；将黑白高亮处理后的图像进行图像图层与纯色图层进行混合选项处理，选中需要求得面积的气泡，通过S＝像素/分辨率2×2.542求得单个气泡的投影面积S，其中投影面积S大的气泡反映的该气泡所在区域的平均开度，投影面积S小的气泡反映该气泡所在点的开度；
步骤7：流出的气泡为球体，利用图像数字化技术中的标尺功能得到气泡直径D；由体积公式
求得气泡体积V；
步骤8：气泡在流动路径上体积是恒定的，在岩石裂隙流动过程中气泡形状类似扁平鼓状，在出口处为球体，如图4所示，由于气泡面积S远大于岩石裂隙的开度值d，所以可将扁平鼓状的气泡的侧边用直线代替，根据气泡在各个点的投影面积，采用公式d＝V/S可求得该流动路径上各点岩石裂隙的开度；
步骤9：若观察的气泡在途中分裂成n个气泡，如图8所示，将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理，根据分帧间隔△t，设置帧数
选出分裂前的图像，再对图像进行黑白高亮化处理；将黑白高亮处理后的图像进行图像图层与纯色图层进行混合选项处理，选中需要求得面积的气泡，通过S＝像素/分辨率2×2.542求得分裂前单个气泡的面积S，其中投影面积S大的气泡反映的该气泡所在区域的平均开度，投影面积S小的气泡反映该气泡所在点的开度；
步骤10：流出的气泡为球体，利用图像数字化技术的标尺功能得到分裂后每个气泡半径D1、D2、…Dn；由体积公式
分别对分裂气泡的体积进行求解，可求得分裂后气泡体积V1、V2…Vn；然后利用求和公式：
∑V＝V1+V2+......+Vn对分裂后的气泡体积进行求和得到∑V；
步骤11：气泡在流动过程中体积是恒定的，在岩石裂隙流动过程中气泡形状类似扁平鼓状，在出口处近似为球体，如图4所示，由于气泡面积S远大于岩石裂隙的开度值d，所以可将扁平鼓状的气泡的侧边用直线代替，根据各个点气泡面积，采用公式d＝S/∑V可求得分裂前各点岩石裂隙的开度；
步骤12：将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理，根据分帧间隔△t，设置帧数
选取想分裂后的图像，再对图像进行黑白高亮化处理，将黑白高亮处理后的图像进行图像图层与纯色图层进行混合选项处理，选中分裂后单条路径上所需求面积的气泡，通过S＝像素/分辨率2×2.542求得单个气泡的投影面积Sn，其中投影面积S大的气泡反映的该气泡所在区域的平均开度，投影面积S小的气泡反映该气泡所在点的开度；
步骤13：根据气泡投影面积Sn和气泡对应体积Vn，由公式d＝Vn/Sn求得分裂后各点岩石裂隙的开度；
步骤14：将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理，根据分帧间隔△t，设置帧数
选取想要研究的图像，通过气泡在流动过程中投影面积变化，由公式d＝V/S可推断出岩石裂隙开度变化，投影面积变化大的地方岩石裂隙开度变化大，投影面积变化小的地方岩石裂隙开度变化小，并得到整个岩面的开度演化场；
步骤15：将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理，根据分帧间隔△t，设置帧数
选取Δt1时间内的两张图片，通过图像叠加利用图像数字化技术中的标尺功能读出两个气泡间中心点的距离L，如图7所示，利用公式
求出气泡流速v，同时还可以根据各条路径上气泡的流速矢量做出整个岩样的流速矢量场；
步骤16：用起泡仪16每隔一定时间向装置注入一定量混有荧光剂的液态物质，该物质具有不溶于水并与水密度相似的性质，并加入分散剂是使这种液态物质分散成不易聚合的细小液滴，在黑暗环境下用无影灯照射通过带有可移动支架的摄像机14录制整个过程；
步骤17：将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理，根据分帧间隔△t，设置帧数
得到小液滴在岩石中的流动曲线图，通过分析图线得到水流在整个岩面中的稳流层和湍流层。
实施例3
上述实施例2中，通过翻模制作而成的与岩石变形性质一致的透明的类岩石树脂块3制备方法如下：
步骤a：准备岩石裂面：采集具有天然节理裂隙的岩石或将成块岩石劈裂获取劈裂裂面，大小根据实验要求而定；
步骤b：制作硅胶翻模模具：利用硅胶的韧性拉伸效果较好的特点，将在待模拟岩石对立裂面放置于模具中，并将混合有加5％硬化剂的硅胶搅拌均匀，然后倒入提前准备好的模具内，等待硅胶自然硬化，然后取出硅胶翻模模具，并将硅胶表面的污垢清理干净；
步骤c：首先利用测量针管抽取0.8％的促进剂，加入一定量的树脂透明原液中并缓速均匀搅拌2分钟充分预热，然后再以同样的方式加入0.6％的硬化剂，最后加入0.6％的消泡剂。
步骤d：将浇筑好的且印有岩样对立面纹路的硅胶放入翻模模具中，在硅胶表面刷层硅油，以保证硅胶表面的洁净度，有利于后期制作透明树脂，保证透明树脂的透明度。将加有不同含量的添加剂的透明不饱和树脂缓速搅拌均匀，然后将其倒入四周围筑橡皮泥的硅胶翻模模具中，树脂的浇筑厚度保持在2厘米左右，待树脂自然阴干，且这个过程需对其加以覆盖，防止灰尘进入透明树脂中，影响的透明度，阴干则取出后的树脂平面上印有岩石裂面的纹路。
步骤e：此时含有裂面表明特征的透明树脂即为翻模制作而成与岩石变形性质一致的透明的类岩石树脂块3。
Claims (5)
1.利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置的实验方法，所述利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置包括底板(1)，所述底板(1)的顶部支撑有可视化岩样(18)，所述可视化岩样(18)和底板(1)之间设置有用于对可视化岩样(18)进行加压的加压气囊(10)，所述加压气囊(10)与加压装置相连；所述可视化岩样(18)的一侧预留有注水口(4)，另一侧预留有出水口(12)，所述注水口(4)与用于产生气泡的注水装置相连，所述出水口(12)与集水装置相连；所述底板(1)和可视化岩样(18)的外部之间通过固定架相连；
所述注水装置包括电动试压泵(6)，所述电动试压泵(6)上安装有高精度电子压力表，所述电动试压泵(6)通过水管(5)与注水口(4)相连，所述水管(5)上安装有起泡仪(16)；
所述固定架包括设置在可视化岩样(18)顶部的盖板(9)，所述盖板(9)的顶部两端分别设置有加压条(8)，所述加压条(8)的两端分别连接有支柱(7)，所述支柱(7)的底端固定安装在底板(1)上，所述支柱(7)的顶部通过螺母(17)压装在加压条(8)的顶部；
所述底板(1)整体支撑安装在万向球铰仪(15)的顶部，以模拟岩石裂隙空间多角度；
在可视化岩样(18)的顶部通过移动支架安装有摄像机(14)；
其特征在于，所述实验方法包括以下步骤：
步骤1：调节顶部万向球铰仪(15)模拟空间多角度，并使得带有可移动支架的摄像机(14)位置与可视化岩样(18)顶部垂直；
步骤2：打开带有压力表的加压气囊(10)的阀门，通过调节阀门开关来控制由加压条(8)施加在盖板(9)顶部的压力，并通过盖板(9)将施加在可视化岩样(18)上的压力转化得到平均法向应力σ，法向应力σ数值可由压力表读取；
步骤3：开启具有高精度电子压力表的电动试压泵(6)，向可视化岩样(18)的注水口注水并提供一定渗透压，渗透压的数值由高精度电子压力表读取；
步骤4：人工封堵可视化岩样(18)的注水一侧和出水一侧，留出实验需要的气泡流径；
步骤5：用起泡仪(16)每隔一定时间向装置注入一定量气泡，气泡直径远大于裂隙开度值，气泡的投影面积远小于岩样的表面积，每组实验注入气泡量由实验需要确定，利用无影灯进行照射通过带有可移动支架的摄像机(14)录制整个过程；
步骤6：若气泡在流动过程中未分裂，将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理，根据分帧间隔△t，设置帧数
选取想要研究的图像，再对图像进行黑白高亮化处理；将黑白高亮处理后的图像进行图像图层与纯色图层进行混合选项处理，选中需要求得面积的气泡，通过S＝像素/分辨率2×2.542求得单个气泡的投影面积S，其中投影面积S大的气泡反映的该气泡所在区域的平均开度，投影面积S小的气泡反映该气泡所在点的开度；
步骤7：流出的气泡为球体，利用图像数字化技术中的标尺功能得到气泡直径D；由体积公式
求得气泡体积V；
步骤8：气泡在流动路径上体积是恒定的，在岩石裂隙流动过程中气泡形状类似扁平鼓状，在出口处为球体，由于气泡面积S远大于岩石裂隙的开度值d，所以可将扁平鼓状的气泡的侧边用直线代替，根据气泡在各个点的投影面积，采用公式d＝V/S可求得该流动路径上各点岩石裂隙的开度；
步骤9：若观察的气泡在途中分裂成n个气泡，将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理，根据分帧间隔△t，设置帧数
选出分裂前的图像，再对图像进行黑白高亮化处理；将黑白高亮处理后的图像进行图像图层与纯色图层进行混合选项处理，选中需要求得面积的气泡，通过S＝像素/分辨率2×2.542求得分裂前单个气泡的面积S，其中投影面积S大的气泡反映的该气泡所在区域的平均开度，投影面积S小的气泡反映该气泡所在点的开度；
步骤10：流出的气泡为球体，利用图像数字化技术的标尺功能得到分裂后每个气泡半径D1、D2、…Dn；由体积公式
分别对分裂气泡的体积进行求解，可求得分裂后气泡体积V1、V2…Vn；然后利用求和公式：∑V＝V1+V2+......+Vn对分裂后的气泡体积进行求和得到∑V；
步骤11：气泡在流动过程中体积是恒定的，在岩石裂隙流动过程中气泡形状类似扁平鼓状，在出口处近似为球体，由于气泡面积S远大于岩石裂隙的开度值d，所以可将扁平鼓状的气泡的侧边用直线代替，根据各个点气泡面积，采用公式d＝∑V/S可求得分裂前各点岩石裂隙的开度；
步骤12：将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理，根据分帧间隔△t，设置帧数
选取想分裂后的图像，再对图像进行黑白高亮化处理，将黑白高亮处理后的图像进行图像图层与纯色图层进行混合选项处理，选中分裂后单条路径上所需求面积的气泡，通过S＝像素/分辨率2×2.542求得单个气泡的投影面积Sn，其中投影面积S大的气泡反映的该气泡所在区域的平均开度，投影面积S小的气泡反映该气泡所在点的开度；
步骤13：根据气泡投影面积Sn和气泡对应体积Vn，由公式d＝Vn/Sn求得分裂后各点岩石裂隙的开度；
步骤14：将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理，根据分帧间隔△t，设置帧数
选取想要研究的图像，通过气泡在流动过程中投影面积变化，由公式d＝V/S可推断出岩石裂隙开度变化，投影面积变化大的地方岩石裂隙开度变化大，投影面积变化小的地方岩石裂隙开度变化小，并得到整个岩面的开度演化场；
步骤15：将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理，根据分帧间隔△t，设置帧数
选取Δt1时间内的两张图片，通过图像叠加利用图像数字化技术中的标尺功能读出两个气泡间中心点的距离L，利用公式
求出气泡流速v，同时还可以根据各条路径上气泡的流速矢量做出整个岩样的流速矢量场；
步骤16：用起泡仪(16)每隔一定时间向装置注入一定量混有荧光剂的液态物质，该物质具有不溶于水并与水密度相似的性质，并加入分散剂是使这种液态物质分散成不易聚合的细小液滴，在黑暗环境下用无影灯照射通过带有可移动支架的摄像机(14)录制整个过程；
步骤17：将拍摄的视频进行毫秒级分帧处理，根据分帧间隔△t，设置帧数
得到小液滴在岩石中的流动曲线图，通过分析图线得到水流在整个岩面中的稳流层和湍流层。
2.根据权利要求1所述利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置的实验方法，其特征在于：所述可视化岩样(18)包括岩样(2)，所述岩样(2)与通过翻模制作而成的与岩石变形性质一致的透明的类岩石树脂块(3)粘在一起模拟单裂隙，或用多块透明的类岩石树脂块(3)组合模拟多裂隙。
3.根据权利要求1所述利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置的实验方法，其特征在于：所述加压装置包括储气罐，所述储气罐通过加压气管与加压气囊(10)相连，所述加压气管上安装有压力表。
4.根据权利要求1所述利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置的实验方法，其特征在于：所述集水装置包括排水管，所述排水管通过硅橡胶(13)，所述排水管的另一端通过硅橡胶与接水槽(11)相连。
5.根据权利要求1所述利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置的实验方法，其特征在于：两根所述加压条(8)的其中一根靠近注水口(4)，另一端靠近出水口(12)，所述加压条(8)的长度大于可视化岩样(18)的宽度；
所述盖板(9)与岩样(2)的弹性模量和泊松比一致。
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|---|---|---|---|
| CN202010149605.2A CN111443022B (zh) | 2020-03-06 | 2020-03-06 | 一种利用气泡示踪技术测量岩石裂隙开度与流速矢量的可视化装置及方法 |
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