一种可视化密度驱动对流超重力试验模拟装置及方法

本发明属于涉及流体实验领域，尤其涉及了一种可视化密度驱动对流超重力试验模拟装置及方法。

背景技术：

1、对于二氧化碳地质封存过程中溶解二氧化碳的密度驱动对流行为，目前现场监测手段无法精确监测，其传质过程可达到百年甚至千年。由于采用储层原位高温高压的条件和真实岩体往往难以精确捕捉这种长期的流体动态过程，而且研究成本较高。因此急需一种便于观测、可操作性强、成本低廉的试验研究方法。

2、近年来的研究表明，采用流体混溶的形式可以有效复现溶解引起密度驱动对流的过程，广泛应用于模型试验中。但室内模型尺寸往往较现场尺度差距较大，因此需要一种有效的实验手段通过模型试验有效指导现场决策与分析。

3、超重力离心机的应用通过高速旋转提供的离心力实现超重力的实验条件，可以通过在缩尺模型中还原大尺度现场流体迁移传质的宏观变化趋势。现有技术中缺少一种结合超重力离心机的重力可调节特性和可视化模型试验方法，来为预测现场尺度的密度驱动对流过程传质行为提供指导。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可视化密度驱动对流超重力试验模拟装置及方法，利用超重力离心机重力可变的优势，在缩尺模型试验中还原现场尺度浓度锋的动态行为。试验方法可操作性强、便于观察分析，结构简单。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一、一种可视化密度驱动对流超重力试验模拟装置：

4、装置包括混溶流体补给模块、可视化模型箱和图像采集模块；混溶流体补给模块、可视化模型箱和图像采集模块均放置在离心机的吊篮内，混溶流体补给模块输出端与可视化模型箱的输入端连通，可视化模型箱中存储有原生流体，图像采集模块用于记录可视化模型箱内流体的流动状态。

5、所述的可视化模型箱包括分流器、有机玻璃箱体、多孔分流板、散光板、背光源和金属基座；

6、有机玻璃箱体放置在金属基座上，有机玻璃箱体的内部设有空腔，两块多孔分流板均位于在有机玻璃箱体的空腔内，且两块多孔分流板分别连接在有机玻璃箱体内侧壁的左、右两侧，使得有机玻璃箱体的空腔被多孔分流板划分为三个腔室；将位于中间的腔室作为第一腔室，位于左右两侧的两个腔室分别作为第二腔室和第三腔室；有机玻璃箱体的前、后两侧均开设有螺栓固定孔，有机玻璃箱体的左、右两侧均开设有排水孔；

7、背光源和有机玻璃箱体的前端面之间通过散光板固定连接，分流器位于第一腔室的正上方且固定安装在有机玻璃箱体的顶端，分流器用于将混溶流体均匀地分散到有机玻璃箱体的空腔内。

8、所述的混溶流体补给模块包括储液罐、蠕动泵和导流管，储液罐的输出端通过蠕动泵与导流管的输入端连接，导流管的输出端与分流器的输入端连接；所述的储液罐通过导流管为有机玻璃箱体的空腔中输送混溶流体；蠕动泵和外部的控制机连接。

9、所述的图像采集模块包括工业相机、镜头、相机固定架、镜头固定架和相机底座；相机固定架的底端安装在相机底座上，镜头固定架连接在相机固定架的中部，工业相机和镜头分别连接在相机固定架和镜头固定架上，镜头组装在工业相机的前端，镜头和工业相机组装后用于拍摄有机玻璃箱体内流体的流动状态，工业相机和控制机连接。

10、所述的第一腔室、第二腔室和第三腔室均放置有颗粒物，第二腔室和第三腔室中的颗粒物粒径大于第一腔室中的颗粒物；第二腔室和第三腔室中的颗粒物包括但不限于卵石，第一腔室中的颗粒物包括但不限于石英砂、氟化乙烯丙烯fep颗粒。

11、所述有机玻璃箱体空腔的长度和高度均大于有机玻璃箱体空腔的厚度。

12、所述背光源用于在实验过程中提供均匀稳定的光照强度，背光源采用多点排列的led光源或均匀排列的长管led灯。

13、所述有机玻璃箱体的空腔内存储有原生流体，混溶流体补给模块用于在实验开始后往有机玻璃箱体内注入染色的混溶流体，混溶流体采用甲醇和乙二醇的混合物，溴化钠溶液。

14、二、一种可视化密度驱动对流超重力模拟试验方法，包括以下步骤：

15、步骤s1、实验准备

16、首先，配置出不同质量浓度的染色混溶流体，利用接着图像采集模块对所有的混溶流体进行图像分析，标定不同颜色对应的混溶流体浓度；然后在有机玻璃箱体的空腔内放置颗粒物并利用原生流体进行饱和；

17、步骤s2、颗粒物饱和完成后，启动离心机，使离心加速度达到n倍重力加速度，然后，利用控制机控制蠕动泵以恒定流量往可视化模型箱中注入染色的混溶流体；

18、步骤s3、混溶流体通过分流器均匀地覆盖在原生流体之上，染色的混溶流体和原生流体在接触面通过分子扩散发生混溶，混溶后的流体在颗粒物中发生密度驱动对流，图像采集模块实时采集可视化模型箱内流体流动状态及颗粒物图像信息；

19、步骤s4、控制机接收图像采集模块传回的图像信号，并通过图像信号分析密度驱动对流过程中的浓度锋和流场信息；当控制机和图像采集模块监测到混溶流体浓度锋充满整个第一腔室后，结束超重力下密度驱动对流的模拟试验，根据模拟试验采集到的密度驱动对流过程中的浓度锋和流场信息，进而实现对真实工况下流体浓度锋和流场信息的分析。

20、本发明中有机玻璃箱体的空腔被多孔分流板划分为三个腔室，是为了在第二、第三腔室中放置不同卵石等导水性好的介质，以模拟实际深地空间中两侧的不同水压梯度或排水的边界条件。

21、本发明的原理如下：

22、密度驱动对流超重力模拟试验方法的相似规律主要为保证无量纲数——瑞雷数ra相同：

23、

24、其中，δρ表示流体密度，g为重力加速度，k为多孔介质渗透率，l为模型特征尺度(在这里取有机玻璃箱体高度)，φ为多孔介质的孔隙率，μ为流体粘度，d为分子扩散系数。

25、在超重力模型中，现场原型(下标p)与模型(下标m)的重力加速度和模型尺寸比值遵循下式：

26、

27、

28、其中，gm和gp分别为试验模型的离心加速度和现场原型的重力加速度，l和lp分别为试验模型的高度(即有机玻璃箱体高度)和现场原型的实际高度，n表示密度驱动对流超重力模拟试验过程中离心加速度与重力加速度的比值；

29、代入式(1)，可以发现现场和模型的瑞雷数ra相等，因此超重力模型能有效还原现场尺度的密度驱动对流过程。

30、本发明可实现对于二氧化碳地质封存过程中深部含水层二氧化碳溶解在盐水中造成密度上升，引发密度驱动对流现象的还原，通过图像采集系统捕捉对流过程的浓度锋动态迁移过程并分析溶解通量变化。该发明可以利用超重力环境进行密度驱动对流的相似模拟实验，大幅度提高模拟实验的相似性和可视化程度，可灵活调整影响密度驱动对流的因素。

31、本发明具有的有益效果为：

32、1、本发明可实现多孔介质密度驱动对流过程的可视化，对于产生的浓度锋和流场信息能够精确捕捉。

33、2、本发明利用超重力离心机提供超重力环境，能有效反映大尺度场地的密度驱动对流过程。

34、3、本发明通过蠕动泵控制混溶流体的注入，分离器将混溶流体均匀覆盖在原生流体之上，边界条件控制精度高。

35、4、本发明可改变多项密度驱动对流的影响因素，包括渗透率、流体密度差、重力加速度等。