CN114054463B - 一种多孔介质盲端孔及其自清洁或自采集的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种多孔介质盲端孔及其自清洁或自采集的方法，所述盲端孔的内壁存在第一层级颗粒；在所述第一层级颗粒的表面存在第二层级颗粒；所述第一层级颗粒的粒径为所述盲端孔的特征长度的1％至50％；所述第二层级颗粒的粒径为所述第一层级颗粒的粒径的0.01％至10％；所述盲端孔的自清洁或自采集的方法，包括：向所述盲端孔所在的多孔介质中注入第二液体，第二液体自发地进入所述盲端孔中，将所述盲端孔中的第一液体替换出来；所述盲端孔的组成材质记为第一材质，所述第二液体与所述第一材质的界面能小于所述第一液体和所述第一材质的界面能；所述盲端孔的粗糙体积比大于0.2。

Description

一种多孔介质盲端孔及其自清洁或自采集的方法
技术领域
本文涉及但不限于新能源与高效节能领域，尤其涉及但不限于复杂多孔介质中含有盲端孔结构的液体自清洁结构设计和一种自清洁或自采集的方法。
背景技术
多孔介质中的多相流动在诸多工程领域有着重要的应用，例如散热过程中所用到的吹胀板、泡沫铜等结构的多相驱替过程或清洁过程，油气资源开采过程中通过多相驱替过程开采被困在多孔介质中的剩余油。而这些结构的多相流动或清洁过程中，最难实现的便是盲端孔结构中被困住的流体的清洁或采集。由于盲端孔结构仅含有一个进出口，在提供被困住的流体流出的同时还要提供驱替流体流入的通道，两者的流动方向相反，这就导致盲端孔结构中很难实现净流量的流入，其清洁或者采集过程往往难以实现。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本申请提供了一种盲端孔，其特征在于，所述盲端孔内的内壁存在第一层级颗粒；在所述第一层级颗粒的表面存在第二层级颗粒；
所述第一层级颗粒的粒径为所述盲端孔的特征长度的1％至50％；所述第二层级颗粒的粒径为第一层级颗粒的粒径的0.01％至10％；
所述盲端孔的粗糙体积比大于0.2。
在本申请提供的一种实施方式中，所述盲端孔的粗糙体积比大于0.5。
在本申请提供的一种实施方式中，所述盲端孔的特征长度为所述盲端孔的最大内切圆直径；所述粒径(特征粗糙边长)为颗粒最大投影面积的水力直径。
在本申请提供的一种实施方式中，所述盲端孔的粗糙体积的获取方法包括以下步骤：
1)使用正多边形的柱体或正多边体内接所述盲端孔，获取所述正多边形的柱体或正多边体的最大体积，所述盲端孔的体积与所述正多边形的柱体或正多边体的最大体积的差值记为粗糙体积；
2)将所述粗糙体积与所述盲端孔的比值为粗糙体积比。
在本申请提供的一种实施方式中，若第二层级颗粒的体积对计算粗糙体积基本没有影响，可以在计算粗糙体积比时忽略。
在本申请提供的一种实施方式中，当所述盲端孔内接所述正多边形的柱体获得所述最大体积时，所述盲端孔满足公式(1)
Figure BDA0003381419750000021
公式(1)中，Fn为所述正多边形的角系数，A*为所述粗糙体积与所述盲端孔体积的比值。
在本申请提供的一种实施方式中，所述正多边形的柱体选自正三角形的柱体、正四边形的柱体、正五边形的柱体、正六边形的柱体、正八边形的柱体和圆形的柱体中的任意一种。
在本申请提供的一种实施方式中，所述正多边形的角系数Fn由公式(2)得出，
Figure BDA0003381419750000022
公式(2)中，αi为所述正多边形的内角，n为正多边形的边数。
例如正三角形角系数为2.05，正四边形的角系数为0.86，正五边形的角系数为0.49，正六边形的角系数为0.32，正八变形的角系数为0.17，圆形的角系数为0。
又一方面，本申请提供了所述的盲端孔的自清洁或自采集的应用。
在本申请提供的一种实施方式中，所述应用包括：向所述盲端孔所在的多孔介质中注入第二液体，第二液体自发地进入所述盲端孔中，将所述盲端孔中的第一液体替换出来。
在本申请提供的一种实施方式中，所述盲端孔的组成材质记为第一材质，所述第二液体与所述第一材质的界面能小于所述第一液体和所述第一材质的界面能。
又一方面，本申请提供了一种盲端孔的自清洁或自采集的方法，所述盲端孔的内壁存在第一层级颗粒；在所述第一层级颗粒的表面存在第二层级颗粒；
所述第一层级颗粒的粒径为所述盲端孔的特征长度的1％至50％；所述第二层级颗粒的粒径为所述第一层级颗粒的粒径的0.01％至10％；
所述盲端孔的自清洁或自采集方法，包括：向所述盲端孔所在的多孔介质中注入第二液体，第二液体自发地进入所述盲端孔中，将所述盲端孔中的第一液体替换出来，完成所述盲端孔的自清洁或自采集；
所述盲端孔的组成材质记为第一材质，所述第二液体与所述第一材质的界面能小于所述第一液体和所述第一材质的界面能；所述第二液体与所述第一材质的接触角小于所述第一液体和所述第一材质的接触角。
所述盲端孔的粗糙体积比大于0.2。
在本申请体积的一种实施方式中，所述盲端孔的粗糙体积比大于0.5。
在本申请体积的一种实施方式中，所述多孔介质的材质与所述盲端孔的材质相同。
在本申请体积的一种实施方式中，所述第一粗糙颗粒和所述第二粗糙颗粒均匀分布在盲端孔中。
在本申请体积的一种实施方式中，所述盲端孔的粗糙体积的计算方法包括以下步骤：
1)使用正多边形的柱体或正多边体内接所述盲端孔，获取所述正多边形的柱体或正多边体的最大体积，所述盲端孔的体积与所述正多边形的柱体或正多边体的最大体积的差值记为粗糙体积；
2)所述粗糙体积与所述盲端孔体积的比值为粗糙体积比。
在本申请体积的一种实施方式中，所述盲端孔的特征长度为所述盲端孔的最大内切圆直径。获得所述最大内切圆直径时可以不考虑深度，获取盲端孔投影的最大内切圆直径。
在本申请体积的一种实施方式中，所述粒径(特征粗糙边长)为颗粒的最大投影面积的水力直径。
在本申请体积的一种实施方式中，当所述盲端孔内接所述正多边形的柱体获得所述最大体积时，所述盲端孔的自清洁或自采集方法，包括以下步骤：
所述盲端孔满足公式(1)，向所述盲端孔所在的多孔介质中注入第二液体，所述第二液体自发地进入所述盲端孔中，将所述盲端孔中的第一液体替换出来，完成所述盲端孔的自清洁或自采集；
Figure BDA0003381419750000041
公式(1)中，Fn为盲端孔的角系数，A*为所述粗糙体积与所述盲端孔体积的比值。
在本申请体积的一种实施方式中，所述多边形的柱体为正三角形的柱体、正四边形的柱体、正五边形的柱体、正六边形的柱体、正八边形的柱体和圆形的柱体中的任意一种；
所述为盲端孔的角系数Fn由公式(2)得出，
Figure BDA0003381419750000042
公式(2)中，αi为所述正多边形的内角，n为正多边形的边数。
在本申请提供的一种实施方式中，针对可以人工设计的规则的多孔介质结构中的盲端孔结构，例如散热用的吹胀板、泡沫铜，微流控芯片等装置中包含盲端孔结构，可以通过在其表面设计本申请的多层级结构可以实现其盲端孔内的自清洁或自采集；
针对天然或随机形成多孔介质，例如岩石、土壤等天然多孔介质或人工随机设计的微流控芯片等无法对结构再次加工的结构，可以通过注入特定的纳米颗粒通过吸附形成第二层级结构以实现盲端孔内的自清洁或自采集的目的；
本申请通过多层级结构强化流体的自渗吸行为，通过驱替流体的自渗吸及最后被驱替流体的内外曲率半径之差实现被困在盲端孔中的被驱替流体的自清洁或自采集。通过特殊设计可以实现多孔介质中的盲端孔中的液体被驱替流体的100％的清洁或采集。
上述除了第一粗糙颗粒和第二粗糙颗粒外，也可以再添加比第二粗糙颗粒更小的颗粒，如第三粗糙颗粒、第四粗糙颗粒等等，后续的粗糙颗粒的添加不影响之前的效果。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书中所描述的方案来发明实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为一种盲端孔的结构设计图；
图2为第二粗糙颗粒的原子力显微镜扫描得到的结构图；
图3为盲端孔中被驱替流体自发被清洁或采集的实验原图及对应的原图再染色图片；
图4为不同结构的盲端孔中被驱替流体自发被清洁或采集效果的原图再染色图片，其中图中的不同结构分别对应第一粗糙颗粒和第二粗糙颗粒的影响；
图5为粗糙体积比A*和角系数Fn对自清洁或自采集效果的影响，图中黑线为临界线
Figure BDA0003381419750000051
图中实心点为被困住的流体能够完全自清洁或自采集的实验点，而临界线以下为不能完全自清洁或自采集的实验点。图5证明了上述粗糙体积比A*和角系数Fn对自清洁或自采集效果的影响关系的正确性。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
实施例1
图1所示为实施例1的盲端孔结构的三维结构设计图，从图中可以看出该盲端孔中已具备第一粗糙颗粒，盲端孔几何结构的形状选取为四边形，喉道部分的宽度为50微米。第一粗糙颗粒的宽度为50微米，长度为100微米。第一粗糙颗粒的最大投影面积的水力直径为66.66微米，在所述盲端孔中最大内切圆直径为350微米。
将本实施例所述盲端孔结构设计图通过光刻-湿法刻蚀在基底上，所述基底材料采用肖特玻璃。整个芯片的设计深度均为20微米。
通过化学气相层积的方法，在第一粗糙颗粒的表面生成了第二粗糙颗粒，如图2所示，最高的粗糙颗粒高度为72nm(此处第二层级颗粒最大投影面积的水力直径不大于72nm)，得到两个层级粗糙度的盲端孔结构，由于本实施例中第二层级颗粒的体积过小在计算粗糙体积比时可以忽略。
所述第一粗糙颗粒和所述第二粗糙颗粒的材质均为肖特玻璃。所述第一粗糙颗粒和所述第二粗糙颗粒均匀分布在盲端孔中。
将上述结构和上下游处打孔的耐热玻璃阳极键和，得到所述盲端孔结构。所述盲端孔结构的粗糙体积比A*＝0.437所述A*的计算如下(如图1所示)：(50×100×19×20)/(50×100×19×20+350×350×20)＝0.437，正四边形的角系数为0.86，其满足公式(1)，即0.437>0.36。
在所述盲端孔中内接最大的正多边形棱柱，其中最大的正多边形棱柱为正四边形棱柱，高度为20微米，边长为350微米，计算可得最大的正多边形棱柱的体积为2450000立方微米，盲端孔的总体积为4350000立方微米，计算可得所述粗糙体积为1900000立方微米(均不考虑喉道的体积)，粗糙体积比为0.437，计算结论为该盲端孔可以自清洁或自采集。
为了检验此结构的自清洁或自采集能力，将上述结构注满模型油(正癸烷)，然后用更亲(界面能更低)肖特玻璃的液体(去离子水)去驱替油相，其驱替效果如图3所示，被困住的油相这时自发的从盲端孔中吐出，该结构的盲端孔具备液体的自清洁或自采集的能力。
进一步对各种形状的结构进行了检验，同时也对第一粗糙颗粒和第二粗糙颗粒的组合效果进行了检验，如图4所示。
图4中，第一行的结构为不具有第一粗糙颗粒的盲端孔，从图4中可以看出，不论是否具备第二粗糙颗粒，上述盲端孔的自清洁或自采集效果差或者无法进行自清洁或自采集。盲端孔中的第二粗糙颗粒的尺寸范围在该盲端孔特征长度的0.0001％至5％。
图4中，第二行的结构为具有较小的第一粗糙颗粒的盲端孔，从左至右，粗糙体积比分别为0.21、0.21、0.21、0.21、0.25、0.25、0.32、0.32；且所述第二粗糙颗粒的最大投影面积的水力直径为第一粗糙颗粒的最大投影面积的水力直径的0.01至10％，且所述第二粗糙颗粒对粗糙体积比的计算可忽略。
图4中，第三行的结构为具有较大的第一粗糙颗粒的盲端孔，从左至右，粗糙体积比分别为0.44、0.44、0.51、0.51、0.57、0.57、0.60、0.60。且所述第二粗糙颗粒的最大投影面积的水力直径为第一粗糙颗粒的最大投影面积的水力直径的0.01至10％，且所述第二粗糙颗粒对粗糙体积比的计算可忽略。
从图4中可以看出同时含有第一粗糙颗粒和第二粗糙颗粒，并且粗糙体积比至少大于0.2是实现自清洁或自采集的必要条件。图4中第三行最左侧的示例为实施例1。
图5为不同的几何结构(角系数)和粗糙体积比对盲端孔结构能够完全自清洁或自采集的影响关系，图5中的实心点为实验中能够完全自清洁或自采集的案例，而空心点则是无法实现完全自清洁或自采集的案例，图5中的曲线为临界线
Figure BDA0003381419750000071
当
Figure BDA0003381419750000072
时能够实现完全的自清洁或自采集。即只需要满足
Figure BDA0003381419750000073
的条件即可实现自清洁或自采集的目的。
如果多孔介质及其中的盲端孔的结构已经固定，比如天然岩石或随机生成的结构不可控的情况，这时难以实现纳米尺度的第二粗糙颗粒的制作，可以采用注入纳米颗粒悬浮液利用纳米颗粒在表面的吸附来实现第二粗糙颗粒。纳米颗粒吸附形成的第二粗糙颗粒与多孔介质自身的第一粗糙颗粒结合能够将部分盲端孔中的剩余油采出，达到部分自清洁或自采集的目的。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种盲端孔，其特征在于，所述盲端孔内的内壁存在第一层级颗粒；在所述第一层级颗粒的表面存在第二层级颗粒；
所述第一层级颗粒的粒径为所述盲端孔的特征长度的1％至50％；所述第二层级颗粒的粒径为第一层级颗粒的粒径的0.01％至10％；
所述盲端孔的粗糙体积比大于0.2；
所述盲端孔的粗糙体积的获取方法包括以下步骤：
1)使用正多边形的柱体或正多边体内接所述盲端孔，获取所述正多边形的柱体或正多边体的最大体积，所述盲端孔的体积与所述正多边形的柱体或正多边体的最大体积的差值记为粗糙体积；
2)将所述粗糙体积与所述盲端孔的比值为粗糙体积比；
当所述盲端孔内接所述正多边形的柱体获得所述最大体积时，所述盲端孔满足公式(1)
Figure FDA0003793541940000011
2.根据权利要求1所述的盲端孔，其特征在于，所述盲端孔的粗糙体积比大于0.5。
3.根据权利要求1或2所述的盲端孔，其特征在于，所述盲端孔的特征长度为所述盲端孔的最大内切圆直径；所述粒径为颗粒最大投影面积的水力直径。
4.根据权利要求1所述的盲端孔，其特征在于，所述正多边形的柱体选自正三角形的柱体、正四边形的柱体、正五边形的柱体、正六边形的柱体、正八边形的柱体和圆形的柱体中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的盲端孔，其特征在于，所述正多边形的角系数Fn由公式(2)得出，
Figure FDA0003793541940000021
公式(2)中，αi为所述正多边形的内角，n为正多边形的边数。
6.一种根据权利要求1至5中任一项所述的盲端孔的自清洁或自采集的应用。
7.根据权利要求6所述的盲端孔的自清洁或自采集的应用，其中，所述应用包括：向所述盲端孔所在的多孔介质中注入第二液体，第二液体自发地进入所述盲端孔中，将所述盲端孔中的第一液体替换出来。
8.根据权利要求7所述的盲端孔的自清洁或自采集的应用，其中，所述盲端孔的组成材质记为第一材质，所述第二液体与所述第一材质的界面能小于所述第一液体和所述第一材质的界面能。
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