一种微米毛细管通道中气液相界面的接触角测量方法技术

本发明专利技术提供了一种微米毛细管通道中气液相界面的接触角测量方法，本发明专利技术利用动态测试装置实现了对微米尺度的毛细管导内的气液两相流动过程的压力或流速的控制，首次实现了在低毛管数、低邦德数状态下的动态接触角测量。第一次采用了基于图像处理方法的接触角、相界面速度的测量，极大提高了数据处理的效率及测量精度。本发明专利技术还提出了多种控制两相流动过程压力控制、电动平台速度控制的算法，提高了实际操作时的灵活性以便满足各种工况的需求。

A Method for Measuring the Contact Angle of Gas-liquid Interface in Micron Capillary Channel

The invention provides a method for measuring the contact angle of gas-liquid interface in a micron capillary channel. The method realizes the control of pressure or velocity of gas-liquid two-phase flow process in a micron capillary channel by using a dynamic measuring device, and realizes the dynamic contact angle measurement under the condition of low capillary number and low Bond number for the first time. For the first time, the measurement of contact angle and phase velocity based on image processing method is adopted, which greatly improves the efficiency and accuracy of data processing. The invention also proposes a variety of algorithms for controlling the pressure control and the speed control of the electric platform in the two-phase flow process, which improves the flexibility of the actual operation in order to meet the requirements of various working conditions.

【技术实现步骤摘要】
一种微米毛细管通道中气液相界面的接触角测量方法
本专利技术涉及石油强化开采领域，特别是涉及一种利用具备微米毛细管通道的动态测量装置获取气液动态驱替相界面接触角的方法。
技术介绍
单个微米尺度的毛细管中的两相驱替机理是自然环境多孔介质内的两相驱替的基础，多孔介质中的两相驱替发生在众多的工业或自然过程中，比如致密油藏的水驱气、溶解气驱、水驱油等过程，上述的工业过程的特点是粘性力微弱(毛管数的范围10-10<Ca<10-5)，重力微弱(邦德数Bo小于10-4)。影响驱替过程的关键因素为毛管力，而计算毛管力的关键参数是两相界面与管道壁面的接触角。毛管力的计算按照Young-Laplace公式计算，如下式所示，γ是界面张力，接触角θ的实际范围为0～180°，当θ<90°时Pc为正值，当θ>90°时，Pc为负值，因此毛管力有可能是阻碍驱替的阻力也可能是推进驱替的动力。不仅如此，接触角评估的错误将会使毛管力计算存在严重的误差，从而导致驱替过程的评估失误。因此，获取上述工业条件下的动态接触角信息对于评估整个多孔介质内两相驱替过程至关重要。现已较完善的测量相界面运动状态下(动态)接触角的技术，比如平板浸没法、毛细管液升法。平板浸没法是将一块待测固体平板，以一定速度、以平板垂直于液面的姿态进入或抽离液面，这个过程采用高速摄像机拍摄液面与平板接触点处相界面的接触角，在通过图像测量接触角的大小；或者采用测力计测量平板在这个运动过程中的受力，测算出界面张力反推出接触角。毛细管液升法，是将一根已知半径的毛细管入口垂直伸入湿润相液体的液面下，通过高速摄像机拍摄湿润相液面上升的高度及对应的时间，通过Washburn公式推算出接触角。但是采用上述两种方案都不能够测量毛管数10-10<Ca<10-5及邦德数Bo<10-4工况下的动态接触角。此外，为了观察到接触角，需要采用高倍数的显微镜获得放大的图像，也就意味着观察的视野小。然而动态的驱替过程意味着相界面会移动一定的距离，因此高倍数的显微镜无法观察到相界面的运动过程。如果采用低倍数的显微镜进行观察，可以观察到相界面位置的变化，却无法观察到相界面，也就无法直接测量接触角。综上所述，现需要一种既可观察清晰观察到相界面的动态测试平台，又可以精确计算出相界面接触角的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供一种微米毛细管通道中气液相界面的接触角测量方法。特别地，本专利技术提供一种微米毛细管通道中气液相界面的接触角测量方法，包括如下步骤：步骤100，将测量选定的微流动芯片安装在动态测量装置移动平台的移动座上并连接注射泵，调节并安装摄像单元，同时使各设备与控制系统连接；步骤200，先将测试液体注入微流动芯片上的微米毛细管通道中，测量出当前测试液体的压力，由控制系统控制抽取泵的注入压力满足预定的测试压力；步骤300，在抽取泵控制压力的过程中，控制系统同时控制移动平台的电机使移动座水平移动，带动微流动芯片向与微米毛细管通道中测试液体移动方向相反的方向移动，且两者的移动保持动态平衡并使测试液体形成的相界面始终位于摄像单元的视野中心；步骤400，在微米毛细管通道中的测试压力满足要求时，由摄像单元获取相界面的图像并传送至控制系统；步骤500，控制系统对该图像进行灰度转化和滤波处理，然后利用阈值分割算法将灰度图像转化成二值图像，利用连通区域方法通过像素点的颜色提取出构成管道形边界图像的边界点；步骤600，识别边界点中代表管道形边界图像中表示左右两个相对界面的相界面和末端面及上下两个相对壁面的坐标点，并根据坐标值的大小对各坐标点进行排序和编号，依据构成未端面的坐标点特性，将所有未端面的坐标点删除，同时确定两个壁面与未端面相交的两个末端接触点坐标；步骤700，对剩余坐标序列利用能量函数根据坐标值的变化对各坐标点进行排序，初步确定相界面和两个壁面的坐标点分布趋势，然后设定能量阈值选取变化低于该能量阈值的坐标点并进行划分和编号，通过取编号的平均值即可确定相界面两个端点的粗略坐标，进而初步划分出分别构成相界面和两个壁面的坐标点；步骤800，对构成相界面的坐标点进行三次多项式拟合后得到三次函数，对两个壁面的坐标点进行一次函数拟合得到两条对应的表达式，求解后即可得到相界面两个端点的精确坐标，然后将其分别代入三次函数的一次导数中，即得到相界面两端点处的接触角。在本专利技术的一个实施方式中，所述步骤500中提取出构成管道形边界图像的边界点的具体处理步骤如下：步骤510，将二值图像中黑色区域的像素点记为数值0，白色区域的像素点记为数值1；步骤520，将所有像素值I(xi,yi)＝1的坐标点同其相邻的像素点进行“与”运算；若运算结果为1则将像素点标记为内部点，若运算结果为0则将该像素点标记为边界点；步骤530，运算结束后将所有边界点提出来，即得到所有构成管道形边界图像的边界点。在本专利技术的一个实施方式中，所述步骤600中，构成末端面的坐标点特性如下：由于未端面为一条竖线，因此其横坐标值变化一致或在一定范围内，而纵坐标变化为渐增，根据所有坐标点中横、纵坐标值的大小对各坐标点进行从小到大的排序，选择横坐标值变化在预定范围内的坐标点全部删除，即删除了未端面。在本专利技术的一个实施方式中，所述步骤600中，初步划分出分别构成相界面和两个壁面的坐标点的过程如下：步骤610，从任意一个坐标点开始，将另一个坐标点以或者的条件相对坐标点进行排列，待所有的坐标点排列成一个序列后，设定一个能量阈值ET，其取值范围为1≤ET≤m，在所有坐标点中搜索满足Ei≤ET的所有坐标点，得到由两段连续编号坐标点组成的区域序列；步骤620，将区域序列中编号最小者作为上壁面的一个端点，其与对应的上壁面的未端接触点坐标之间的坐标点为形成上壁面的坐标点编号范围；将区域序列编号中最大者作为下壁面的一个端点，其与对应的下壁面的未端接触点坐标之间的坐标点为形成下壁面的坐标点编号范围；对区域序列中所有编号求和后取平均值，则第一个小于平均值的编号为相界面的一个端点，而第一个大于平均值的编号则为相界面的另一个端点，两个端点之间的坐标点则为形成相界面的坐标点编号范围。在本专利技术的一个实施方式中，还包括对坐标点排序时的顺序修正程序：设置边界点序列的能量函数，由两个壁面的末端接触点坐标之间的区域且根据两个未端接触点坐标的纵坐标的差值确定极大值，即Emax＝|yD-yC|，再通过寻找单个最大值算法确定Ei＝Emax的坐标编号，设其编号为i＝imax，将坐标点序列中的第一坐标点分别与能量函数进行循环位移，将编号imax变成编号0，仍然是n+1个坐标点，从0开始编号，新的编号j和原编号i的关系为：通过对排序的坐标点进行循环位移方式调整排序后，使得随着编号的递增，代表管道形边界图像的四个边界点依次出现。在本专利技术的一个实施方式中，所述步骤700中，所述初步确定相界面和两个壁面的坐标点分布趋势的过程如下：将坐标点序列上的任意一个坐标点(xi,yi)，与其在序列上相距m位的坐标点(xi+m,yi+m)按照下式进行比较：Ei＝||xi-xi+m|-|yi-yi+m||可得到相界面上的坐标点在x方向上的变化较弱，在y方向上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微米毛细管通道中气液相界面的接触角测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤100，将测量选定的微流动芯片安装在动态测量装置移动平台的移动座上并连接注射泵，调节并安装摄像单元，同时使各设备与控制系统连接；步骤200，先将测试液体注入微流动芯片上的微米毛细管通道中，测量出当前测试液体的压力，由控制系统控制抽取泵的注入压力满足预定的测试压力；步骤300，在抽取泵控制压力的过程中，控制系统同时控制移动平台的电机使移动座水平移动，带动微流动芯片向与微米毛细管通道中测试液体移动方向相反的方向移动，且两者的移动保持动态平衡并使测试液体形成的相界面始终位于摄像单元的视野中心；步骤400，在微米毛细管通道中的测试压力满足要求时，由摄像单元获取相界面的图像并传送至控制系统；步骤500，控制系统对该图像进行灰度转化和滤波处理，然后利用阈值分割算法将灰度图像转化成二值图像，利用连通区域方法通过像素点的颜色提取出构成管道形边界图像的边界点；步骤600，识别边界点中代表管道形边界图像中表示左右两个相对界面的相界面和末端面及上下两个相对壁面的坐标点，并根据坐标值的大小对各坐标点进行排序和编号，依据构成未端面的坐标点特性，将所有未端面的坐标点删除，同时确定两个壁面与未端面相交的两个末端接触点坐标；步骤700，对剩余坐标序列利用能量函数根据坐标值的变化对各坐标点进行排序，初步确定相界面和两个壁面的坐标点分布趋势，然后设定能量阈值选取变化低于该能量阈值的坐标点并进行划分和编号，通过取编号的平均值即可确定相界面两个端点的粗略坐标，进而初步划分出分别构成相界面和两个壁面的坐标点；步骤800，对构成相界面的坐标点进行三次多项式拟合后得到三次函数，对两个壁面的坐标点进行一次函数拟合得到两条对应的表达式，求解后即可得到相界面两个端点的精确坐标，然后将其分别代入三次函数的一次导数中，即得到相界面两端点处的接触角。...

【技术特征摘要】
1.一种微米毛细管通道中气液相界面的接触角测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤100，将测量选定的微流动芯片安装在动态测量装置移动平台的移动座上并连接注射泵，调节并安装摄像单元，同时使各设备与控制系统连接；步骤200，先将测试液体注入微流动芯片上的微米毛细管通道中，测量出当前测试液体的压力，由控制系统控制抽取泵的注入压力满足预定的测试压力；步骤300，在抽取泵控制压力的过程中，控制系统同时控制移动平台的电机使移动座水平移动，带动微流动芯片向与微米毛细管通道中测试液体移动方向相反的方向移动，且两者的移动保持动态平衡并使测试液体形成的相界面始终位于摄像单元的视野中心；步骤400，在微米毛细管通道中的测试压力满足要求时，由摄像单元获取相界面的图像并传送至控制系统；步骤500，控制系统对该图像进行灰度转化和滤波处理，然后利用阈值分割算法将灰度图像转化成二值图像，利用连通区域方法通过像素点的颜色提取出构成管道形边界图像的边界点；步骤600，识别边界点中代表管道形边界图像中表示左右两个相对界面的相界面和末端面及上下两个相对壁面的坐标点，并根据坐标值的大小对各坐标点进行排序和编号，依据构成未端面的坐标点特性，将所有未端面的坐标点删除，同时确定两个壁面与未端面相交的两个末端接触点坐标；步骤700，对剩余坐标序列利用能量函数根据坐标值的变化对各坐标点进行排序，初步确定相界面和两个壁面的坐标点分布趋势，然后设定能量阈值选取变化低于该能量阈值的坐标点并进行划分和编号，通过取编号的平均值即可确定相界面两个端点的粗略坐标，进而初步划分出分别构成相界面和两个壁面的坐标点；步骤800，对构成相界面的坐标点进行三次多项式拟合后得到三次函数，对两个壁面的坐标点进行一次函数拟合得到两条对应的表达式，求解后即可得到相界面两个端点的精确坐标，然后将其分别代入三次函数的一次导数中，即得到相界面两端点处的接触角。2.根据权利要求1所述的接触角测量方法，其特征在于，所述步骤500中提取出构成管道形边界图像的边界点的具体处理步骤如下：步骤510，将二值图像中黑色区域的像素点记为数值0，白色区域的像素点记为数值1；步骤520，将所有像素值I(xi,yi)＝1的坐标点同其相邻的像素点进行“与”运算；若运算结果为1则将像素点标记为内部点，若运算结果为0则将该像素点标记为边界点；步骤530，运算结束后将所有边界点提出来，即得到所有构成管道形边界图像的边界点。3.根据权利要求1所述的接触角测量方法，其特征在于，所述步骤600中，构成末端面的坐标点特性如下：由于未端面为一条竖线，因此其横坐标值变化一致或在一定范围内，而纵坐标变化为渐增，根据所有坐标点中横、纵坐标值的大小对各坐标点进行从小到大的排序，选择横坐标值变化在预定范围内的坐标点全部删除，即删除了未端面。4.根据权利要求1所述的接触角测量方法，其特征在于，所述步骤600中，初步划分出分别构成相界面和两个壁面的坐标点的过程如下：步骤610，从任意一个坐标点开始，将另一个坐标点以或者的条件相对坐标点进行排列，待所有的坐标点排列成一个序列后，设定一个能量阈值ET，其取值范围为1≤ET≤m，在所有坐标点中搜索满足Ei≤ET的所有坐标点，得到由两段连续编号坐标点组成的区域序列；步骤620，将区域序列中编号最小者作为上壁面的一个端点，其与对应的上壁面的未端接触点坐标之间的坐标点为形成上壁面的坐标点编号范围；将区域序列编号中最大者作为下壁面的一个端点，其与对应的下壁面的未端接触点坐标之间的坐标点为形成下壁面的坐标点编号范围；对区域序列中所有编号求和后取平均值，则第一个小于平均值的编号为相界面的一个端点，而第一个大于平均值的编号则为相界面的另一个端点，两个端点之间的坐标点则为形成相界面的坐标点编号范围。5.根据权利要求4所述的接触角测量方法，其特征在于，还包括对坐标点排序时的顺序修正程序：设置边界点序列的能量函数，由两个壁面的末端接触点坐标之间的区域且根据两个未端接触点坐标的纵坐标的差值确定极大值，即Emax＝|yD-yC|，再通过寻找单个最大值算法确定Ei＝Emax的坐标编号，设其编号为i＝imax，将坐标点序列中的第一坐标点分别与能量函数进行循环位移，将编号imax变成编号0，仍然是n+1个坐标点，从0开始编号，新的编号j和原编号i的关系为：通过对排序的坐标点进行循环位移方式调整排序后，使得随着编号的递增，代表管道形边界图像的四个边界点依次出现。6.根据权利要求1所述的接触角测量方法，其特征在于，所述步骤700中，所述初步确定相界面和两个壁面的坐标点分布趋势的过程如下：将坐标点序列上的任意一个坐标点(xi,yi)，与其在序列上相距m位的坐标点(xi+m,yi+m)按照下式进行比较：Ei＝||xi-xi+m|-|yi-yi+m||可得到相界面上的坐标点在x方向上的变化较弱，在y方向上变化较强，因此Ei≈m；而两个壁面上的坐标在x方向上的变化较强，在y方向上变化较弱，会有Ei≈m；而从两个壁面过渡到相界面的这部分边界点其在x方向和y方向上的变化基本相同Ei≈0。7.根据权利要求1所述的接触角测量方法，其特征在于，所述步骤800中，得到相界面两个端点的精确坐标的步骤如下：步骤810，设构成相界面的第一个坐标点为P，最后一个坐标点为Q，用P至Q范围内所有坐标点进行三次多项式拟合，以横坐标x为因变量，纵坐标y为自变量，拟合得到弯月面形状的三次函数x＝fPQ(y)；步骤820，设构成上壁面的第一个坐标点为D，最后一个坐标点为O；构成下壁面的第一个坐标点为R，最后一个坐标点为C；采用一次函数拟合，以横坐标y为因变量，纵坐标x为自变量，得到两条直线的表达式y＝kDOx+cDO及y＝kRCx+cRC，其中kDO和kRC为直线的斜率；步骤830，根据拟合得到的三次函数及两条直线表达式，求解以下两个方程组；即得到相界面上端点A的坐标(xA,yA)以及相界相下端点B的坐标(xB,yB)。8.根据权利要求7所述的接触角测量方法，其特征在于，获得接触角的过程如下：根据相界面的拟合函数x＝fPQ(y)，将上端点A的坐标(xA,yA)以及下端点B的坐标(xB,yB)分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷达，林缅，江文滨，曹高辉，徐志朋，李曹雄，姬莉莉，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11