本发明涉及微流体研究技术领域，尤其是涉及一种缝洞介质可视化多相流流体实验装置。
背景技术
粒子图像测速法(particleimagevelocimetry，简称piv)，是七十年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的激光流体力学测速方法，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。目前的piv装置成像系统调节精度低，回压系统的压力调节精度为1mpa，存在压力调节精度低的问题。
背光可视化法(backlightvisualizationmethod,简称bvm)，是让不同流体流过拟三维可视化物理模型，其中拟三维可视化物理模型是根据实验设计并3d打印出来的，在一侧布置led面光源或激光面光源，在对侧平行布置图像记录设备如高速相机、摄像机等记录实验过程，通过图像处理程序进行量化研究,重点研究流体流动形态、三相界面变化、气体特征、波及体积、润湿性转向等问题。
现有的实验装置中能实现对石油流体可视化研究的油水两相实验研究还比较少，且已有的油水两相实验装置，存在实验结果图像采集不清楚、精度低、实验效率低的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种缝洞介质可视化多相流流体实验装置，可满足背光可视法研究多相流体流态特征和激光面(片)光源研究多相流体流场特征，满足微流体流动特征研究，以及三维模型实现不同剖面的流场计算，并同时测量模型中油、水两相的流场大小。本发明装置可以使用高速相机精确捕捉实验结果图像，提高了piv实验和背光可视法油气水三相界面研究的实验结果精度及实验效率。
第一方面，本发明实施例提供了一种缝洞介质可视化多相流流体实验装置，该装置包括：
注入系统，用于精确注入水、气和油其中的任何一种流体；
控制系统，用于对所述装置流动管路实现半自动切换开关；
成像系统，用于实现液相中粒子的成像，使相机对流体进行图像采集；
回压系统，用于对可视化模型出口端进行压力调节，包括气体源回压阀，回压系统的调节精度为1kpa。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述缝洞介质可视化多相流流体实验装置还包括：
采集系统，用于对所述装置的压力、流量、图像信息进行采集和图像处理。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述采集系统包括：
压力传感器，用于采集所述控制系统的压力；
高速相机，用于采集流经所述成像系统流体的粒子成像、流动形态和相界面图像；
压差传感器，用于采集所述成像系统进口与出口的压力差；
电子天平，用于采集水和油的流体量值；
气体流量计，用于采集所述气体流量值；
计算机，用于记录和处理上述数据值。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述注入系统包括：气体注入装置、水注入装置和油注入装置。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述控制系统包括：
真空泵，用于对所述图像测速装置进行真空抽取；
阀门组，用于对所述流体进行流动方向控制。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述阀门组包括若干世伟洛克针阀和若干气动自动控制阀。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述成像系统包括：
激光/led面光源，用于发射激光光束，激发流体中的荧光粒子发出高波长光；
可视化物理模型，用于使流过的所述流体粒子可以被所述采集系统采集；
模型夹持器，用于固定可视化物理模型。
结合第一方面的第六种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述激光面光源的片镜头厚度为1mm，并安装有连续半导体激光器，所述连续半导体激光器的波长为532nm，功率为5w。
结合第一方面的第七种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述模型夹持器包括在二维模型夹持器和三维模型夹持器；
二维模型夹持器，通过弹簧轴向转动对模型进行旋转观测，旋转角度范围0-360°，旋转角度精度0.1°；
三维模型夹持器，包括游标移动机构和固定激光器，所述三维模型夹持器的移动精度为0.1mm。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，所述回压系统包括：
回压装置，用于调节流经回压装置流体的压力；
气源，用于对所述回压装置提供调节压力的气体。
本发明带来了以下有益效果：本发明提供了一种缝洞介质可视化多相流流体实验装置。所述装置包括：注入系统，用于连续注入水、氮气和油其中的至少一种流体；注入系统，用于精确注入水、气和油其中的任何一种流体；控制系统，用于对所述装置流动管路实现半自动切换开关；成像系统，用于实现液相中粒子的成像，使相机对流体粒子进行图像采集；回压系统，用于对可视化模型出口端进行压力调节，包括气体源回压阀，回压系统的调节精度为1kpa。该缝洞介质可视化多相流流体实验装置可满足背光可视法研究多相流体流态特征和激光面(片)光源研究多相流体流场特征，满足微流体流动特征研究，以及三维模型实现不同剖面的流场计算，并同时测量模型中油、水两相的流场大小。本发明装置可以使用高速相机精确捕捉实验结果图像，通过采用调节精度为1kpa的气体源回压阀，提高了piv实验和背光可视法油气水三相界面研究的实验结果精度及实验效率。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明的上述技术即可得知。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的一种缝洞介质可视化多相流流体实验装置示意图；
图2为本发明实施例提供的一种缝洞介质可视化多相流流体实验装置结构图；
图3为本发明实施例提供的一种可视化物理模型拟三维剖面模型图；
图4为本发明实施例中油水两相实验中的水平剖面油水两相采集图像；
图5为本发明实施例中油水两相实验中的竖直剖面油水两相采集图像；
图6为本发明实施例中油气两相实验中的水平剖面油气两相采集图像；
图7为本发明实施例中油气两相实验中的竖直剖面油气两相采集图像；
图8为本发明实施例中油水两相实验中的竖直剖面油水两相采集图像；
图9为本发明实施例中油气两相实验中的竖直剖面油气两相采集图像。
图标：11-注入系统；12-控制系统；13-成像系统；14-回压系统；15-采集系统。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
目前，现有的实验装置中能实现对石油研究的油水两相实验研究还比较少，且已有的油水两相实验装置，存在实验结果精度低、实验效率低的问题。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种缝洞介质可视化多相流流体实验装置流体实验装置进行详细介绍。
实施例一：
本发明实施例提供的一种缝洞介质可视化多相流流体实验装置，如图1所示，该装置包括注入系统11、控制系统12、成像系统13和回压系统14。
其中，注入系统11，用于高精度定流量注入或高压力定压注入水、气和油其中的任何一种流体。控制系统12，用于对整个装置流动管路实现半自动切换开关。成像系统13，用于实现液相中粒子成像的追踪和流体流动形态、相界面等图像捕捉与采集。回压系统14，用于对可视化模型出口端进行压力调节，包括气体源回压阀，回压系统的调节精度为1kpa。
如图1所示，该装置还包括采集系统15，用于对所述装置的压力、流量、图像信息进行采集和图像处理。
如图2所示，注入系统包括11：气体注入装置、水注入装置和油注入装置。其中，气体注入装置：由装有气体的容器，通过世伟洛克针阀与中间容器相连接，中间容器还与高压注射泵相连接，高压注射泵上连接有一个活塞介质。水注入装置：由装有水的容器，通过世伟洛克针阀与中间容器相连接，中间容器还与高压注射泵相连接，高压注射泵上连接有一个活塞介质。油注入装置：由装有油的容器，通过世伟洛克针阀与中间容器相连接，中间容器还与高压注射泵相连接，高压注射泵上连接有一个活塞介质。注入系统的各个装置中的中间容器，分别通过世伟洛克针阀连接到总管道上。
控制系统12包括：真空泵，用于对图像测速装置进行真空抽取。阀门组，用于对流体进行流动方向控制。注入系统与控制系统之前的连接管道上有一个世伟洛克针阀，控制系统的真空泵通过世伟洛克针阀与总管道连接。控制系统与成像系统相连的管道上安装有气动自动控制阀。成像系统13包括：激光/led面光源、可视化物理模型和模型夹持器。成像系统与回压系统相连的管道上安装有气动自动控制阀。
激光面/led光源，用于发射激光光束，激发流体中的荧光粒子发出高波长光。激光面光源的片镜头厚度为1mm，并安装有连续半导体激光器，连续半导体激光器的波长为532nm，功率为5w。在其他应用环境下，还可以作为led光源，发出白光。
可视化物理模型，用于使流过的流体粒子可以被采集系统采集。可视化物理模型的两端分别通过两个气动自动控制阀连接两个容器。可视化物理模型是根据实验需求进行设计的三维矢量模型，通过数据修正得到可视化物理模型的3d打印数字模型，再使用3d打印机将设计好的可视化物理模型打印出来。
模型夹持器，用于固定可视化物理模型。模型夹持器包括在二维模型夹持器和三维模型夹持器。二维模型夹持器，通过弹簧轴向转动对模型进行旋转观测，旋转角度范围0-360°，旋转角度精度0.1°。三维模型夹持器，包括游标移动机构和固定激光器，所述三维模型夹持器的移动精度为0.1mm，可以实现激光器的精确移动，实现对三维模型“切片”观测。
回压系统14包括：回压装置和气源。回压装置连接在总管道上，气源与回压装置相连接。回压系统与采集系统的电子天平相连管道上安装有世伟洛克针阀。
回压装置，用于调节流经回压装置流体的压力。气源，用于对回压装置提供调节压力的气体。回压装置的调节精度为1kpa，与原来的调节精度1mpa相比提高了1000倍。
采集系统15包括：压力传感器、压差传感器、电子天平、气体流量计和计算机。
压力传感器，用于采集控制系统的压力，安装在控制系统总管道上真空泵的对侧。高速相机，用于采集流经所述成像系统流体的粒子成像、流动形态和相界面图像，安装在成像系统中，与激光/led面光源分别分布在可视化物理模型的两侧。压差传感器，用于采集成像系统进口与出口的压力差，安装在成像系统中，压力传感器的两端分别与可视化模型的两端相连接。电子天平，用于采集水和油的流体量值。气体流量计，用于采集气体流量值。计算机，用于记录和处理上述数据值。
本发明实施例提供了一种缝洞介质可视化多相流流体实验装置，可满足背光可视法研究多相流体流态特征和激光面(片)光源研究多相流体流场特征，满足微流体流动特征研究，以及三维模型实现不同剖面的流场计算，并同时测量模型中油、水两相的流场大小。本发明装置可以使用高速相机精确捕捉实验结果图像，提高了piv实验和背光可视法油气水三相界面研究的实验结果精度及实验效率。
实施例二：
本发明实施例提供一种缝洞介质可视化多相流流体实验装置，应用于油水两相实验研究，是实施例一提供的缝洞介质可视化多相流流体实验装置的具体应用实例。
油水两相实验是在饱和油的情况下，在可视化物理模型中注入水，研究油水两相界面变化。使用该缝洞介质可视化多相流流体实验装置进行油水两相实验包括以下步骤：
s201：使用3d打印机打印成像系统中的可视化物理模型。
可视化物理模型，如图3所示的可视化物理模型拟三维剖面模型图。
s202：封闭该实验装置，由注入系统的气体注入装置，向该装置注入一定压力的氮气，保证该装置的密封性。
s203：由控制系统的真空泵，对该缝洞介质可视化多相流流体实验装置抽真空12小时，再由注入系统的油注入装置，向成像系统注入饱和油2小时。
s204：在成像系统的可视化物理模型处于饱和油的条件下，由注入系统的水注入装置，以一定压力和一定流速，向成像系统注入水。
s205：在可视化物理模型的相对两侧，分别放置激光面光源或led面光源和高速相机，由采集系统的高速相机采集可视化物理模型中的油水两相变化。
不考虑重力的水平剖面油水两相采集图像如图4a所示，此时的突破时间t＝282.7s，波及效率，即驱替效率se＝70.5％。
不考虑重力的水平剖面，突破时间t＝1025s，注水2.5pv，波及效率se＝96.11％时的图像油水两相界面变化图像如图4b所示。
考虑重力的竖直剖面油水两相采集图像如图5a所示，此时的突破时间t＝375s，波及效率se＝58.8％。
考虑重力的竖直剖面，突破时间t＝615s，注水1.5pv，波及效率se＝62％时的图像油水两相界面变化图像如图5b所示。
其中，如图4和图5所示，可视化物理模型中的灰色部分是水，白色部分是油。
实施例三：
本发明实施例提供一种缝洞介质可视化多相流流体实验装置，应用于油气两相实验研究，是实施例一提供的缝洞介质可视化多相流流体实验装置的具体应用实例。
油气两相实验是在饱和油的情况下，在可视化物理模型中注入气体，研究油气两相界面变化。使用该缝洞介质可视化多相流流体实验装置进行油气两相实验包括以下步骤：
s301：使用3d打印机打印成像系统中的可视化物理模型。
s302：封闭该实验装置，由注入系统的气体注入装置，向该装置注入一定压力的氮气，保证该装置的密封性。
s303：由控制系统的真空泵，对该实验装置抽真空12小时，再由注入系统的油注入装置，向成像系统注入饱和油2小时。
s304：在成像系统的可视化物理模型处于饱和油的条件下，由注入系统的气体注入装置，向成像系统注入气体。
s305：在可视化物理模型的相对两侧，分别放置激光面光源或led面光源和高速相机，由采集系统的高速相机采集可视化物理模型中的油气两相变化。
不考虑重力的水平剖面油气两相采集图像如图6a所示，此时的突破时间t＝19.3s，波及效率se＝45.0％。
不考虑重力的水平剖面，突破时间t＝102.28s，注水3.5pv，波及效率se＝86.3％时的图像油水两相界面变化图像如图6b所示。
考虑重力的竖直剖面油气两相采集图像如图7a所示，此时的突破时间t＝22.9s，波及效率se＝43.2％。
考虑重力的竖直剖面，突破时间t＝99.9s，注水1.1pv，波及效率se＝54.1％时的图像油水两相界面变化图像如图7b所示。
其中，如图6和图7所示，可视化物理模型中的灰色圆形是气体形成的气泡，其余部分是油。
在上述步骤s305后，还可以进行以下步骤：
s306：在可视化模型饱和油气的情况下，由注入系统的水注入装置，向成像系统的可视化模型中注入加入示踪粒子后的水。
在可视化模型饱和油气的情况下，向模型中注入水，注入的水中添加了示踪粒子(如荧光粒子)，粒子随水流动时可反映流体的流动，从而可以同时研究油气水两相界面变化和粒子速度场情况。
实施例四：
本发明实施例提供一种缝洞介质可视化多相流流体实验装置，应用于连井剖面三维模型下的油水和油气两相实验研究，是实施例一提供的缝洞介质可视化多相流流体实验装置的具体应用实例。
连井剖面三维模型下的油水两相实验，其中成像系统的可视化物理三维模型为连井剖面三维模型，其余步骤与实施例二叙述的油水两相实验步骤相同，在此不再赘述。
考虑重力的竖直剖面油水两相实验采集图像如图8所示，图中是注入水速度为qwater＝1.2ml/min，注入水140.8s时的油水分布情况。如图8b所示，图中的深灰色部分是水。
连井剖面三维模型下的油气两相实验，其中成像系统的可视化物理三维模型为连井剖面三维模型，其余步骤与实施例三叙述的油气两相实验步骤相同，在此不再赘述。
考虑重力的竖直剖面油气两相实验采集图像如图9所示，图中是注入气体速度为qwater＝1.8ml/min，注入气体140.8s时的油气分布情况。如图9b所示，图中的灰色突出部分是气体。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和/或装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。