多孔介质内部固液运动测量方法及装置

本公开属于地貌地质学、水土保持、环境与水利工程、工业工程等领域的多孔介质测量领域，尤其涉及一种多孔介质内部固液运动测量方法及装置。

背景技术：

1、多孔介质为宏观上分布着大量孔隙空间的固体物质，不论是自然界还是工业界都普遍存在，如砂岩、土壤、河床海床、血管网络、矿渣、混凝土、金属非金属多孔材料(如陶瓷、活性炭等)、发动机散热体等。多孔介质内部的液体及固体颗粒迁移运动特征是多孔介质研究的重要内容。但是，受限于多孔介质复杂的几何形态，对多孔介质内部的固液运动微观特征直接观测难度较大，现有研究多通过常规测量手段获得多孔介质的宏观物理性质(如孔隙度、渗透率、毛细管压力等)，或是基于数值模拟方法模拟固液相在多孔介质内部的迁移输运。前者难以获取多孔介质内部固液运动的微观特征，后者一方面依然需要微观观测结果进行验证，另一方面基于的物理模型未必体现了多孔介质内部的固液输移运动机制。近些年，放射性扫描及核磁共振方法已经开始应用于测量多孔介质内部三维结构，但这些方法应用于多孔介质内部的固液运动测量尚有诸多限制，如时间分辨率较低导致多孔介质内部三维流动速度较快时并不适用，而且造价较高、需要配套保护设施(如铅室)，均极大限制了其应用。

2、折射率匹配技术通过使用折射率相同的透明固液体系使固液相对于光线变成同一介质，从而光线在固液交界面处基本不发生折射。因此折射率匹配技术可突破固液交界面对固体内部固液运动信息测量的限制，再结合粒子测速技术可实现多孔介质内部固液运动的测量。针对前述多孔介质内部固液运动的测量需求和现有方法存在的问题，需要专门开发基于折射率匹配的多孔介质内部固液运动测量装置及方法。

技术实现思路

1、本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

2、为此，本公开第一方面实施例提供的具有时空分辨率高、精度高、不干扰固液运动、成本较低等优点的多孔介质内部固液运动测量方法，包括：

3、(1)搭建测量平台，包括容纳有匹配液的透明容器，所述匹配液的折射率与待测透明固体多孔介质模型的折射率相同且匹配液中分散有示踪粒子，所述待测透明固体多孔介质模型包括具有孔隙的透明骨架和可在透明骨架的孔隙间随匹配液的流动而输移的透明运动固体颗粒，按照透明容器内匹配液的流动方向将透明容器依次划分为上游段和观测段，在观测段的透明容器外侧设置激光光源，以在观测段内形成激光打亮平面区域，并在观测段的透明容器外侧设置相机，所述相机的焦平面与激光平面平行；

4、(2)将沿激光平面中线向上定义为z轴正方向，在激光打亮平面区域中沿匹配液流动方向定义为x轴正方向，与激光平面垂直且经过激光平面中线与透明容器底部交点的直线方向定义为y轴方向，远离透明容器靠近相机一侧的侧壁面方向为y轴正方向，y轴与靠近相机一侧的透明容器壁面内侧交点为坐标原点o；建立激光平面y轴坐标与不同断面的成像分辨率的回归关系；

5、(3)将待测透明固体多孔介质模型放置于透明容器内并使透明骨架与透明容器保持相对静止，将激光平面移动至观测段的待观测断面处，基于激光平面y轴坐标与不同断面成像分辨率的回归关系得到该待观测断面的成像分辨率，以待测断面内的透明多孔介质截面及匹配液中示踪粒子清晰为目标对相机调焦并对焦；

6、(4)采用不同的频率对待观测断面进行连续拍摄，得到高频图像序列pl和低频图像序列ps，对高频图像序列pl和低频图像序列ps的各图像基于测量过程中静止的透明骨架在观测断面中的轮廓统一进行裁剪，使透明骨架轮廓的显示范围重合，分别得到高频裁剪图像序列plc和低频裁剪图像序列psc；

7、(5)基于所述低频裁剪图像序列psc中的若干图像生成训练样本，训练用于对图像中的透明运动固体颗粒进行识别的神经网络；利用训练完毕的神经网络识别低频裁剪图像序列psc的每一幅图像中的运动固体颗粒所占像素区域，得到将运动固体颗粒所占像素区域使用同一颜色进行标记的二值化图像序列psb；针对二值化图像序列psb中的每幅图像，利用颗粒追踪测速方法计算每相邻两张图像中各运动固体颗粒的运动速度，将该运动速度集合步骤(3)得到的待观测断面的成像分辨率转化为各运动固体颗粒的实际运动速度，从而获得二值化图像序列psb的每幅图像中运动固体颗粒的速度分布；

8、(6)利用训练完毕的神经网络识别所述高频裁剪图像序列plc的每一幅图像中的运动固体颗粒所占像素区域，预处理时将识别出的高频裁剪图像序列plc的每一幅图像中的运动固体颗粒所占像素区域以及圈定的透明骨架所占像素区域作为掩膜不参与计算，之后使用粒子图像测速方法结合待观测断面的成像分辨率对预处理后的图像进行互相关计算或特征点匹配计算获取流场；

9、(7)利用待观测断面内透明骨架所占像素区域的形状和位置将步骤(5)得到的运动固体颗粒的速度和步骤(6)得到的流场测量结果对应，从而获得待测固体多孔介质模型内部的某一待观测断面的固液运动特征。

10、在一些实施例中，所述匹配液中还分散有荧光染剂。

11、在一些实施例中，所述建立激光平面y轴坐标与不同断面的成像分辨率的回归关系，包括：

12、将已知尺寸的透明标尺竖直放置在激光平面内，且透明标尺平面与激光平面平行，拍摄照片，读取照片中标尺已知实际长度对应的像素长度，测得该待观测断面处的成像分辨率；将激光平面向y轴正向移动，每移动一段距离测定激光平面内的成像分辨率，基于测量的激光平面y轴坐标与各断面的成像分辨率建立回归关系。

13、在一些实施例中，所述高频图像序列pl中相邻两张图像的时间间隔相等，记为1/fl，所述低频图像序列ps中相邻两张图像的时间间隔相等，记为1/fs，且1/fl＜1/fs。

14、在一些实施例中，步骤(5)中，基于所述低频裁剪图像序列psc中的若干图像生成训练样本，包括：

15、在所述低频裁剪图像序列psc中等间隔地选出若干张图像作为训练集pt，对所述训练集pt内各图像中运动固体颗粒的轮廓分别进行标记，得到运动固体颗粒轮廓的矢量文件，以该矢量文件和训练集pt作为所述训练样本。

16、在一些实施例中，步骤(5)中还包括：在获得所述二值化图像序列psb的每幅图像中运动固体颗粒的速度分布后，通过连续追踪获得运动固体颗粒的运动轨迹。

17、本公开第二方面实施例提供的多孔介质内部固液运动测量装置，用于实现上述任一实施例所述的多孔介质内部固液运动测量方法，包括：

18、透明容器，所述透明容器内容纳有待测透明固体多孔介质模型和与所述该待测透明固体多孔介质模型的折射率相同的透明匹配液，所述匹配液中分散有示踪粒子，所述待测透明固体多孔介质模型包括具有孔隙的透明骨架和可在所述透明骨架的孔隙间随匹配液的流动而输移的透明运动固体颗粒，所述透明骨架与所述透明容器保持相对静止，按照所述透明容器内匹配液的流动方向将所述透明容器依次划分为上游段和观测段；

19、激光光源，设置在所述观测段的透明容器外侧，用于在所述观测段内形成激光打亮平面区域；

20、相机，设置在所述观测段的透明容器外侧，所述相机的焦平面与激光平面平行，用于连续拍摄记录运动固体颗粒的运动信息和匹配液的运动信息，运动固体颗粒的运行信息的拍摄频率低于匹配液的运动信息的拍摄频率；和

21、支架，用于安装所述激光光源和所述相机。

22、在一些实施例中，所述透明容器具有可移动边壁以调节所述透明容器的宽度，从而使所述透明容器的横截面与所述透明骨架的横截面保持一致；在所述透明容器流出匹配液的一端安装有孔板。

23、在一些实施例中，所述支架包括沿所述透明容器宽度方向布设的导轨、设置在所述导轨上可沿所述导轨滑移的滑块、与所述滑块固定连接的支架本体以及固定于所述透明容器一侧且可沿x轴方向移动的支架外框，所述激光光源和所述相机固定安装于所述支架本体上，所述导轨安装于所述支架外框上。

24、在一些实施例中，所述测量装置还包括：

25、控制模块，与所述激光光源和所述导轨的电机连接，用于控制所述滑块在所述导轨上的运动速度、前进方式和所述滑块的目标运动位置，并控制所述激光光源的开闭和功率；和/或

26、数据采集模块，与所述相机连接，用于控制所述相机的拍摄参数；和/或

27、存储介质，包括高速存储介质和低速存储介质，所述高速存储介质用于存放所述相机连续拍摄记录的运动固体颗粒的运动信息和匹配液的运动信息；所述低速存储介质用于存储所述高速存储介质存放的数据。

28、本公开实施例的的有益效果为：

29、1、可以实现多孔介质内部液体和固体运动测量；

30、2、时间空间分辨率高，空间分辨率不低于观测尺寸的1％，液体测量时间分辨率可达0.001s以上，固体测量时间分辨率可达0.008s以上；

31、3、为非侵入式测量方法，对多孔介质内部固液运动不会产生干扰；

32、4、集成化、自动化程度高，可有效节省人力。