CN115932321B - 基于粒子图像测速的微观溶蚀可视化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于粒子图像测速的微观溶蚀可视化装置及方法，涉及流体实验领域，装置包括：光学平台、PIV测速系统、流体泵入装置、可溶微流控芯片、固定装置以及监测系统；光学平台用于放置并固定可视化装置；PIV测速系统用于采集记录可溶微流控芯片的流场信息；流体泵入装置用于将流体以拟定的流量持续精准地泵入可溶微流控芯片；可溶微流控芯片用于模拟岩体裂隙介质溶蚀过程；固定装置用于将可溶微流控芯片固定在CCD相机视野范围的中央；监测系统用于对CCD相机的数据进行分析，并控制PIV测速系统中的CCD相机与激光器同步工作。本发明能够精准捕捉裂隙介质溶蚀形态的动态演变过程，实时表征出流场中的流动结构。

Description

基于粒子图像测速的微观溶蚀可视化装置及方法

技术领域

本发明涉及流体实验领域，特别是涉及一种基于粒子图像测速的微观溶蚀可视化装置及方法。

背景技术

地层深部岩体及近地表非饱和岩体裂隙中往往存在多组分、多相流体(例如空气、水、及非水相污染物等)，它们之间的动力学特征及其与岩体之间发生的物理化学作用对研究页岩油(气)开采、CO₂地质封存及地下水污染物运移等领域具有重要意义。其中，深部岩体的渗透特性在溶蚀-渗流耦合过程中可能发生重大变化，从而造成CO₂沿结构面泄露、地下污染物迁移等工程难题。研究岩体裂隙介质渗流过程中的溶蚀机理是近年来的热点，其中，可视化实验方法是有力的研究途径之一，诸如CT(数字成像技术)、MRI(核磁共振技术)等，但这些可视化实验方法有着成本高、对人体可能造成损伤等局限性，未能在研究中得到广泛应用，搭建一套成本低、操作简便、能够稳定运行的可视化实验平台至关重要。基于朗伯比尔定律的光透射技术，凭借不同浓度流体吸光度不同的特性，可以定量标定出观测视野内流体的浓度分布情况，同时可以精准捕捉流体界面的动态特征。近年来，这种可视化实验技术因其成本较低、观测精度高以及可操作性强等优点，逐渐在实验研究中被广泛应用。该实验方法已被应用在岩体裂隙介质渗流-溶蚀耦合过程中的研究中，但其仍存在一些局限性，比如无法直观观察到流体内部溶质运移情况，无法量化内部流场演化特征。揭示溶质运移规律以及流体内部的运动学状态是研究岩体裂隙渗流过程中溶蚀机理的关键所在，寻求更进一步的实验方法迫在眉睫。

粒子图像测速技术(PIV)是一种精度高、空间分辨率极高以及非接触式的测速方法。其对流场的测量是基于光学成像原理实现的，不需任何探测设备进入流场，不会对流场造成干扰。唯一进入流体的是示踪粒子，为使示踪粒子与流体间保证良好的跟随性，其直径一般都比较小，对流动的影响要远小于探针式设备。另外，PIV属于多点瞬时测量技术，能够测量计算多维空间尺度的全分量速度场信息。其具有的超高空间分辨率也是其他测速方法所无法比拟的。除此之外，PIV还可以精准捕捉到流场中复杂的流动结构，比如涡流等。凭借这些优势，PIV已成为流体力学领域重要的实验研究技术之一。本发明将光透射技术与粒子图像技术相结合，搭建了一套基于粒子图像技术的可视化实验平台，将其应用在岩体裂隙渗流-溶蚀耦合过程的研究中，取得了一些标志性的分析结果。此套实验装置及方法兼具光透射技术与粒子图像测速技术的优势，成本低、精度高，可实时表征出流体内部的溶质迁移运动状态并能精准捕捉流动结构。其在流体实验与地学研究领域中具有十分可观的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于粒子图像测速的微观溶蚀可视化装置及方法，能够精准捕捉裂隙介质溶蚀形态的动态演变过程，实时表征出流场中的流动结构，揭示内部溶质运移规律与溶蚀相变过程的内在联系。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于粒子图像测速的微观溶蚀可视化装置，包括：光学平台、PIV测速系统、流体泵入装置、可溶微流控芯片、固定装置以及监测系统；

所述光学平台用于放置并固定所述可视化装置；

所述PIV测速系统包括激光器、LED平行光源和CCD相机；所述激光器用于以设定的激发频率提供固定波长的激光；所述LED平行光源用于在进行可视化实验时提供稳定光照强度，照亮视场；所述CCD相机用于以设定的帧率采集光学图像信息，所述PIV测速系统用于采集记录所述可溶微流控芯片的流场信息；

所述流体泵入装置用于将流体以拟定的流量持续精准地泵入所述可溶微流控芯片；

所述可溶微流控芯片用于模拟岩体裂隙介质溶蚀过程；

所述固定装置用于将所述可溶微流控芯片固定在CCD相机视野范围的中央；

所述监测系统用于对所述CCD相机的数据进行分析，并控制所述PIV测速系统中的CCD相机与激光器同步工作。

可选的，所述PIV测速系统还包括：立体显微镜；

所述立体显微镜用于放大测量的视野范围，便于实验人员观察可溶微流控芯片的流动结构。

可选的，所述PIV测速系统还包括：光学滤镜组；

所述光学滤镜组一方面用于反射所述激光器的入射激光使所述入射激光照亮流场；另一方面用于过滤掉反射回所述立体显微镜的激光，使只有流场中示踪粒子受激发而发射的荧光进入所述立体显微镜和CCD相机。

可选的，所述流体泵入装置包括可编程微量注射泵、微量注射器以及连接所述微量注射器与可溶微流控芯片间的管道。

可选的，所述固定装置包含微量进步器与螺栓，通过调整所述微量进步器，将所述可溶微流控芯片固定在所述CCD相机视野的中央。

可选的，所述可溶微流控芯片包括上部镂空的PDMS盖片，中部带有通道的氯化钠晶体薄片和下部PDMS盖片。

可选的，还包括废液收集缸；

所述废液收集缸用于盛装从所述可溶微流控芯片出口处流出的液体。

可选的，所述激光器发射的激光波长为532nm。

一种基于粒子图像测速的微观溶蚀可视化方法，包括：

S1：制作可溶微流控芯片；

S2：在光学平台上安装好实验装置，把制作好的可溶微流控芯片放置在固定装置上，打开LED平行光源和CCD相机，调整固定装置的微量进步器，使视野对焦在所述可溶微流控芯片平面上；

S3：操控流体泵入装置，将带有荧光粒子的液体装入微量注射器，安装好微量注射器，连接所述微量注射器和可溶微流控芯片间的管道，设定好泵入流量，开启开关，将流体以恒定速率泵入所述可溶微流控芯片；

S4：打开监测系统，打开激光器，通过监测系统调整激光器的曝光时间与间隔，使其与CCD相机的采集帧率相匹配，开启CCD相机的记录模式，记录粒子图像，最后监测系统通过进行数据的分析计算，得到涡流结构、流场信息及涡量大小。

可选的，所述制作可溶微流控芯片，具体包括：

将PDMS材料浇筑在亚克力母版上，固化后揭模得到上部镂空的透明PDMS盖片；

利用激光刻蚀得到中部带有通道的氯化钠晶体薄片；

将所述中部带有通道的氯化钠晶体薄片放置于上部镂空的透明PDMS盖片的镂空处；

在载玻片上均匀浇铸一层PDMS，静置待气泡溃灭后，加热固化，得到下部平整的透明PDMS盖片；

使上部镂空的透明PDMS盖片和下部平整的透明PDMS盖片将要接触的面朝上放入等离子清洗机中，通过抽真空以及紫外光照射后，将上部镂空的透明PDMS盖片和下部平整的透明PDMS盖片盖在一起，完成可溶微流控芯片的制作。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

(1)将光透射技术与粒子图像测速技术相结合，可根据实验需求灵活切换实验模式：在需要关注溶蚀形态动态演变时，切换LED平行光源进行常规可视化实验；需要观察内部流动结构以及获取流场信息时切换激光器进行粒子图像测速实验。实验方法操作灵活、步骤简便，并且可以长时间高强度工作，记录通道溶蚀的整个过程。

(2)所采用的可溶微流控芯片设计巧妙，将微流控领域广泛应用的PDMS材料与可溶晶体相结合。PDMS材料可塑性强，可与晶片紧密贴合，保证良好的密封性；其透光性强，在保证严密封装的效果下，不影响光学观测；同时PDMS材料化学惰性强，不与流体、示踪粒子间发生物理化学反应，不会引起粒子成团从而影响PIV实验观测，完美适配PIV实验需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的基于粒子图像测速的微观溶蚀可视化装置示意图；

图2为本发明的可溶微流控芯片结构示意图；

图3为本发明的可溶微流控芯片成品俯视示意图；

图4为本发明的表征涡流结构的PIV实验结果示意图。

符号说明：1-流体泵入装置；2-立体显微镜；3-CCD相机；4-光学滤镜组；5-可溶微流控芯片；6-激光器；7-激光；8-荧光；9-LED平行光源；10-废液收集缸；11-监测系统；12-上部镂空的PDMS盖片；13-中部带有通道的氯化钠晶体薄片；14-下部PDMS盖片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于粒子图像测速的微观溶蚀可视化装置及方法，针对现有实验技术的不足之处，提供一种用于研究岩石裂隙渗流-溶蚀耦合过程的可视化实验装置，该装置和方法能够精准捕捉裂隙介质溶蚀形态的动态演变过程，实时表征出流场中的流动结构，揭示内部溶质运移规律与溶蚀相变过程的内在联系。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明包括m-PIV系统、可编程微量注射泵、内部通道可溶解的微流控芯片以及图形工作站。通过可编程微量注射泵将带有荧光微粒的不饱和氯化钠溶液注入微流控芯片中，通过m-PIV系统中的激光器激发流场中微粒的荧光信息，由PIV系统中的CCD相机采集这些荧光信息，相机与所述的图形工作站连接传输数据，最终可以测量计算出溶蚀过程中的流场演变信息，同时在不启用激光器的情况下，可借助白色LED光源照亮视场，观察溶蚀过程可溶微通道的形态演变。m-PIV系统可精确捕捉溶蚀界面局部流场细节和湍流结构，此测量方法不会干扰流体原本的流动状态，是一种高精度、非接触、可连续测量的测速技术。本发明将此实验技术与可视化微流控实验装置结合，组建成一套可实时表征细观溶蚀过程中流动状态的实验系统，使其成为用于地球物理化学过程、能源环境领域的新颖且重要的实验研究手段。

具体的，本发明中基于粒子图像测速的微观溶蚀可视化装置包含光学平台、PIV测速系统、流体泵入装置1、可溶微流控芯片5以及监测系统11，如图1所示。

其中：PIV测速系统包括激光器6，立体显微镜2，CCD相机3，光学滤镜组4以及LED平行光源9，具体的，光学滤镜组4内置于立体显微镜2中。

光学平台作为整套实验装置的承重台，用于放置并固定所有装置部件，高1m，长1.2m宽0.8m。通过螺丝将带螺纹孔的支撑架固定在光学平台上，立体显微镜2和CCD相机3通过螺丝固定在支撑架上，激光器6通过螺丝固定在平台上，使整套PIV测速系统具有足够的结构稳定性，减少外界扰动的影响，其余监测系统11以及流体泵入装置1平稳放置在平台上。

PIV测速系统用于采集记录流场的信息，比如速度场的全分量大小、涡度等信息。其中激光器6用于以设定的激发频率提供固定波长(532nm)的激光7，光学滤镜组4一方面用于反射激光器6的入射激光7使其照亮流场，进一步地过滤掉反射回立体显微镜2的激光7，使只有流场中示踪粒子受激发而发射的荧光8进入立体显微镜2，进一步地进入CCD相机3。立体显微镜2用于放大测量的视野范围，精密捕捉微小的流动结构，放大倍率为5-20倍。CCD相机3用于以设定的帧率采集光学图像信息，将数据传输到监测系统11中进行最后的分析计算。LED平行光源9用于在进行常规可视化实验时提供稳定光照强度，照亮视场。

流体泵入装置1，包括一台可编程微量注射泵、一支微量注射器以及连接注射器与微流控芯片间的管道，用于将流体以拟定的流量持续精准地泵入可溶微流控芯片。

固定装置，包含微量进步器与螺栓，用于将可溶微流控芯片5固定在CCD相机3视野范围的中央，可通过调整微量进步器，将可溶微流控芯片5调整在CCD相机3视野的中央。

含有内部通道的可溶微流控芯片5，用于模拟岩体裂隙介质溶蚀过程，由以下三部分构成：上部镂空的PDMS盖片12，中部带有通道的氯化钠晶体薄片13和下部PDMS盖片14，如图2所示。

废液收集缸10用于盛装从可溶微流控芯片5出口处流出的液体。

监测系统11包含高性能的图形工作站，用于将CCD相机3拍摄记录下的数据进行收集、分析和计算，所述监测装置同时也用于远程协调控制PIV测速系统中CCD相机3与激光器6的同步工作。

本发明还提供一种用于上述实验装置的实验方法，包括如下步骤：

S1：制作可溶微流控芯片，其中上部镂空的PDMS盖片是通过将PDMS材料浇筑在亚克力母版上固化后揭模而成。具体操作如下：通过激光雕刻亚克力，将设计好的镂空部分的空间(长×宽×高＝15mm×10.5mm×0.75mm)雕刻成凸起的部分，将PDMS倒入模具，静置片刻等待气泡溃灭后，放入真空干燥箱，以80摄氏度加热两个小时，待PDMS固化后，将其从模具上揭下来，得到上部镂空的PDMS盖片，其中镂空部分是按照氯化钠晶片的大小设计，为了给其预留合适的放置空间。中部带有通道的氯化钠晶体薄片由激光刻蚀而成，尺寸为长15mm，宽10mm，高0.75mm，沿着两个短边中点连线划开成上下对称的两部分，将其放置于PDMS上层盖片的镂空处。芯片下层的平滑PDMS盖片，通过在一片洁净的载玻片上均匀浇铸一层PDMS(2g)，静置待气泡溃灭后，以相同方式加热固化，最后得到下层PDMS盖片。使上下层PDMS将要接触的面朝上放入等离子清洗机中，通过5min的抽真空以及2min紫外光照射后，将上下盖片盖在一起，完成带有可溶通道的可溶微流控芯片的制作，芯片成品如图3所示。

S2：在光学平台上安装好实验装置，通过螺丝将带螺纹孔的支撑架固定在光学平台上，立体显微镜和CCD相机通过螺丝固定在支撑架上，激光器通过螺丝固定在平台上，使整套PIV测速系统具有足够的结构稳定性，减少外界扰动的影响，其余监测系统以及流体泵入装置平稳放置在光学平台上；把制作好的可溶微流控芯片放置在固定装置上，打开LED平行光源和CCD相机，调整固定装置的微量进步器，使视野对焦在可溶微流控芯片的平面上。

S3：操控流体泵入装置，用微量注射器(5ml)抽取带有荧光粒子的反应性液体(非饱和氯化钠溶液)，安装好微量注射器，连接好微量注射器和可溶微流控芯片间的管道，设定好泵入流量，开启开关，将流体以恒定速率泵入可溶微流控芯片，从可溶微流控芯片出口处流出液体通过管道流入废液收集缸中。

S4：打开监测系统，打开激光器，通过监测系统调整激光器的曝光时间(42μs)与间隔以及激光能量(0-30mj)，调整CCD相机的采集帧率(0-15fps)，使激光器的曝光间隔与CCD相机的采集帧率相匹配，开启CCD相机的记录模式，采集粒子图像。当需要观察溶蚀形态演变过程，关闭激光器，打开LED平行光源，采集光学图像。最后在监测系统端收集整理数据，进行数据的分析计算，其中对于涡流结构的捕捉、流场信息及涡量大小的计算结果如图4所示。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于粒子图像测速的微观溶蚀可视化装置，其特征在于，包括：光学平台、PIV测速系统、流体泵入装置、可溶微流控芯片、固定装置以及监测系统；

所述光学平台用于放置并固定所述可视化装置；

所述PIV测速系统包括激光器、LED平行光源和CCD相机；所述激光器用于以设定的激发频率提供固定波长的激光；所述LED平行光源用于在进行可视化实验时提供稳定光照强度，照亮视场；所述CCD相机用于以设定的帧率采集光学图像信息，所述PIV测速系统用于采集记录所述可溶微流控芯片的流场信息；所述可溶微流控芯片包括上部镂空的PDMS盖片，中部带有通道的氯化钠晶体薄片和下部PDMS盖片；

所述流体泵入装置用于将流体以拟定的流量持续精准地泵入所述可溶微流控芯片；

所述可溶微流控芯片用于模拟岩体裂隙介质溶蚀过程；

所述固定装置用于将所述可溶微流控芯片固定在CCD相机视野范围的中央；

所述监测系统用于对所述CCD相机的数据进行分析，并控制所述PIV测速系统中的CCD相机与激光器同步工作;

所述PIV测速系统还包括：立体显微镜；

所述立体显微镜用于放大测量的视野范围，便于实验人员观察可溶微流控芯片的流动结构；

所述PIV测速系统还包括：光学滤镜组；

所述光学滤镜组一方面用于反射所述激光器的入射激光使所述入射激光照亮流场；另一方面用于过滤掉反射回所述立体显微镜的激光，使只有流场中示踪粒子受激发而发射的荧光进入所述立体显微镜和CCD相机。

2.根据权利要求1所述的基于粒子图像测速的微观溶蚀可视化装置，其特征在于，所述流体泵入装置包括可编程微量注射泵、微量注射器以及连接所述微量注射器与可溶微流控芯片间的管道。

3.根据权利要求1所述的基于粒子图像测速的微观溶蚀可视化装置，其特征在于，所述固定装置包含微量进步器与螺栓，通过调整所述微量进步器，将所述可溶微流控芯片固定在所述CCD相机视野的中央。

4.根据权利要求1所述的基于粒子图像测速的微观溶蚀可视化装置，其特征在于，还包括废液收集缸；

所述废液收集缸用于盛装从所述可溶微流控芯片出口处流出的液体。

5.根据权利要求1所述的基于粒子图像测速的微观溶蚀可视化装置，其特征在于，所述激光器发射的激光波长为532nm。

6.一种基于粒子图像测速的微观溶蚀可视化方法，其特征在于，应用如权利要求1-5任一项所述的基于粒子图像测速的微观溶蚀可视化装置；所述方法包括：

S1：制作可溶微流控芯片；所述可溶微流控芯片包括上部镂空的PDMS盖片，中部带有通道的氯化钠晶体薄片和下部PDMS盖片；

S2：在光学平台上安装好实验装置，把制作好的可溶微流控芯片放置在固定装置上，打开LED平行光源和CCD相机，调整固定装置的微量进步器，使视野对焦在所述可溶微流控芯片平面上；

S3：操控流体泵入装置，将带有荧光粒子的液体装入微量注射器，安装好微量注射器，连接所述微量注射器和可溶微流控芯片间的管道，设定好泵入流量，开启开关，将流体以恒定速率泵入所述可溶微流控芯片；

S4：打开监测系统，打开激光器，通过监测系统调整激光器的曝光时间与间隔，使其与CCD相机的采集帧率相匹配，开启CCD相机的记录模式，记录粒子图像，当需要观察溶蚀形态演变过程时，关闭所述激光器，打开所述LED平行光源，采集光学图像，最后监测系统通过进行数据的分析计算，得到涡流结构、流场信息及涡量大小。

7.根据权利要求6所述的基于粒子图像测速的微观溶蚀可视化方法，其特征在于，所述制作可溶微流控芯片，具体包括：

将PDMS材料浇筑在亚克力母版上，固化后揭模得到上部镂空的PDMS盖片；

利用激光刻蚀得到中部带有通道的氯化钠晶体薄片；

将所述中部带有通道的氯化钠晶体薄片放置于上部镂空的PDMS盖片的镂空处；

在载玻片上均匀浇铸一层PDMS，静置待气泡溃灭后，加热固化，得到下部PDMS盖片；

使上部镂空的PDMS盖片和下部PDMS盖片将要接触的面朝上放入等离子清洗机中，通过抽真空以及紫外光照射后，将上部镂空的PDMS盖片和下部PDMS盖片盖在一起，完成可溶微流控芯片的制作。