【技术实现步骤摘要】
土体驱替
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相变微流控模拟的荧光可视装置及方法
[0001]本专利技术属于环境岩土工程
，特别涉及一种土体驱替
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相变微流控模拟的荧光可视装置及方法，适用于土体内部孔隙流体高温情况下相变行为及非饱和渗流特征的可视化研究。
技术介绍
[0002]微流控技术能够通过精确刻蚀孔道来模拟土体内部的孔隙结构，并且微流控芯片多为透明材质，结合可视化装置可实时监测流体在孔隙中的渗流特征和相态演化。因此，微流控技术具有应用于非均匀多孔介质物理过程模拟的基础条件。
[0003]关于非水相有机物的微流控渗流表征，目前采用的多为色素标记法，而掺入色素后对非水相有机物的粘度、均匀性等性质会产生一定影响，而利用紫外线荧光标记的方法可以有效避免这一影响，实现更贴近实际的非水相有机物渗流表征。关于稳态法测定油水两相流体相对渗透率，稳定状态的判定以及含水饱和度的精准确定至关重要，传统的稳态法测相对渗透率通常是通过进出口压力以及进出口流量来判定稳定状态，而进出口的流量大小往往只能够通过称重法来计算，且该方法还需要实现混合流体的分离，操作复杂、精度较低，通过荧光标记以及图像处理后的面积比例来确定稳定状态以及含水饱和度可以有效规避这些缺点。关于非饱和土的基质吸力测定，目前已经有诸如压力板仪法、滤纸法、离心机法等多种方法，这些方法的只能确定基质吸力和含水率的数值大小，无法直接观察固相颗粒所持液体在孔隙中渗流运动特征和分布状态。因而，如何将土体非饱和渗流过程可视化并与现有非饱和渗流理论相联系，对于构建和验证现...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.土体驱替
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相变微流控模拟的荧光可视装置，其特征在于，所述装置包括：微流体调控系统(1)、加热控温系统(2)、荧光可视化系统(3)、基质吸力辅助测试系统(4)、数据采集及图像分析系统(5)、微流控芯片(6)；所述微流体调控系统(1)由空气压缩机(11)、微流控压力泵(12)、高精度流体流量计(13)、储液池(14)、导气管(15)及毛细导流管(16)组成，其中，空气压缩机(11)、微流控压力泵(12)与储液池(14)通过导气管(15)连接；储液池(14)与高精度流体流量计(13)以及微流控芯片(6)通过毛细导流管(16)相连接；所述空气压缩机(11)可提供气压力范围为0
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800kPa；所述微流控压力泵(12)可实现0
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7000mbar范围内的压力调节，可调节充入微流控芯片(6)的微流体压力，并且可通过恒流模式和恒压模式对微流体进行控制；所述高精度流体流量计(13)，可实时监测毛细管内通过的流体体积流量，测量范围0
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80ul/min，精度0.001ul/min；所述储液池(14)呈闭口试管状，不与空气联通，用于储存待测液体，其上可连接导气管(15)及毛细导流管(16)，其中，导气管(15)通过顶部端口插入储液池(14)的上1/3高度，毛细导流管(16)通过顶部端口后插入储液池(14)的下1/3高度；所述加热控温系统(2)由石棉保温层(21)、试样舱(22)、加热片(23)、电控温器(24)以及隔热玻璃视窗(25)组成，整体呈双层箱体状，加热片置于石棉保温层(21)内层与试样舱(22)之间，隔热玻璃视窗(25)通过预留卡槽(221)与试样舱(22)连接；所述石棉保温层(21)由可塑石棉型材加工而成,导热系数0.03W/(m*k)，侧壁两对称位置预留有可通过毛细导流管(16)及电控温器导线的圆孔(211)；所述试样舱(22)采用铝加工，导热系数237W/(m*k)，内部底面设有四根突出的芯片固定柱(222)；侧壁两对称位置预留有可通过毛细导流管(16)及电控温器(24)导线的圆孔(211)，所有试样舱(22)预留圆孔(211)均与石棉保温层(21)的预留孔连通；所述加热片(23)为矩形氧化铝陶瓷加热片，可通过电控温器(24)进行温度调节，进而将试样舱(22)内温度在室温
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180℃温度范围内调节并保持恒定；所述隔热玻璃视窗(25)为方形JGS1深紫外玻璃片，在玻璃片顶面周围贴有一圈防雾加热丝(251)，可通过电控温器(24)进行温度调节；隔热玻璃视窗(25)安置在试样舱(22)的预留卡槽(221)，与试样舱(22)围成一个密闭腔体；所述荧光可视化系统(3)由耐温背景光源(31)、CMOS相机(32)、光电控制器(33)、黑色柔性遮光罩(34)组成，耐温背景光源(31)设置在试样舱(22)内部底面，CMOS相机(32)架设于试样舱(22)隔热玻璃视窗(25)的正上方；CMOS相机(32)与试样舱(22)隔热玻璃视窗之间通过黑色柔性遮光罩(34)连接；所述耐温背景光源(31)内部间隔分布有可见光LED(311)和紫外线LED(312)，其中，紫外线LED灯可射出254/275/308nm三种波长的紫外线，总辐射通量3mw，并可通过光电控制器(33)控制不同LED灯的开启或关闭状态，可见光LED(311)用于观察常规流体，紫外线LED(312)可诱导轻非水相有机物产生波长在390nm
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780nm范围内的荧光，用于观测非水相有机物的孔隙渗流特征；所述CMOS相机(32)可调节采集频率和成像范围，像素6000万，帧率为每秒70帧，采集到的图像可通过电脑记录；所述基质吸力辅助测试系统(4)，由基质吸力控制件(41)、高精度流体流量计(13)、集液瓶(42)组成；所述基质吸力控制件(41)，内部隔有一层透水不透气的陶土板(411)，陶土板两侧均为毛细管接头(412)；所述高精度流体流量计(13)连接于陶土板(411)一侧；毛细
导流管(16)末端连接集液瓶(42)，集液瓶(42)顶部留有直径1mm排气孔，用于平衡气体压力；所述数据采集及图像分析系统(5)分别与微流控压力泵(12)、CMOS相机(32)、高精度流体流量计(13)、光电控制器(33)通过数据线连接；将微流体调控系统(1)的微流控压力泵(12)与数据采集及图像分析系统(5)相连接，将微流体调控系统(1)的高精度流体流量计(13)通过毛细导流管(16)穿过加热控温系统(2)的圆孔(211)与微流控芯片(6)相连接；将基质吸力辅助测试系统(4)两端分别通过毛细导流管(16)与微流控芯片(6)和高精度流体流量计(13)相连接；将荧光可视化系统(3)与数据采集及图像分析系统(5)相连接，即形成本发明所述的土体驱替
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相变微流控模拟的荧光可视装置。2.基于土体驱替
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相变微流控模拟的荧光可视装置的试验方法，其特征在于，包括以下三种子方法：子方法一：微流控芯片(6)模拟非饱和土体的土水特征曲线测试子方法；步骤1：将微流控芯片(6)及基质吸力控制件(41)饱和，并将微流控芯片(6)与其后端连接的基质吸力控件(41)、高精度流体流量计(13)通过毛细导流管(16)连接并饱和；步骤2：排空储液池(14)内液体并加入干燥剂；步骤3：根据权利要求1所述，组装土体驱替
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相变微流控模拟的荧光可视装置；步骤4：相机成像调节，接通耐温背景光源(31)电源，并开启LED灯，之后打开CMOS相机(32)，调节采集频率和成像范围；步骤5：启动电控温器(24)，并调节加热温度、加热速率，使试样舱(22)温度达到设定值T并保持稳定；步骤6：打开高精度流体流量计(13)，开始监测通过基质吸力控制件(41)的流体实时流量Q(t)；步骤7：当试样舱温度、CMOS相机成像都调试好之后，打开数据采集及图像分析系统(5)开始记录并储存相关数据及图像；步骤8：启动空气压缩机(11)，并接通微流控压力泵(12)电源，选择恒压模式，设置进气压力P
t
，驱使微流控芯片(6)中的饱和流体进入集液瓶(42)，当高精度流体流量计(13)测定的瞬时流量值Q(t)为0时施加下一级进气压力P
t
，其中各级进气压力分别为10kPa、20kPa、30kPa、40kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、600kPa、800kPa、1000kPa；步骤9：按如下流程计算微流控芯片模拟非饱和土的土水特征曲线：
①
气压值P
t
情况下通过高精度流体流量计(13)的流体体积V
x
可通过公式(1)计算，公式(1)为：式(1)中，V
x
为(t1,t2)时间段通过高精度流体流量计(13)的流体体积；t1、t2分别为时间段的开始(施加气压值P
t
的开始时刻)和结束时刻(瞬时流量值Q(t)为0时刻)；Q(t)为通过高精度流体流量计(13)的瞬时流量值；
②
微流控芯片(6)的总体积V
c
为：V
C
＝Ah＝L0Wh(2)
式(2)中，A为微流控芯片(6)的底面积；h为微流控芯片(6)的厚度；L0为微流控芯片(6)的长度；W为微流控芯片(6)的宽度；
③
微流控芯片(6)的等效孔隙度ξ为：式(3)中，V
c
为微流控芯片(6)的总体积；V
H
为微流控芯片(6)的等效孔隙总体积,可通过式(4)计算，公式(4)为：式(4)中，V
H
为微流控芯片(6)的等效孔隙总体积；n为微流控芯片(6)的孔道数量；π为圆周率；为微流控芯片(6)孔道的等效平均半径；L
t
为微流控芯片(6)n根孔道的轴线平均长度；
④
任意时刻微流控芯片(6)内部水势h
t
与气压值P
t
的关系如公式(5)所示，公式(5)为：h
t
＝P
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)式(5)中，h
t
为t时刻微流控芯片(6)中的水势；P
t
为t时刻施加的气体压力值；
⑤
芯片饱和度S
r
可通过公式(6)计算，公式(6)为：式(6)中：S
r
为芯片饱和度；V
x
为(0,t)时间段内通过高精度流体流量计(13)的流体体积；V
H
为微流控芯片(6)的等效孔隙总体积；
⑥
分别计算气压值P
t
为10kPa、20kPa、30kPa、40kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、600kPa、800kPa、1000kPa时的芯片饱和度S
r
，并以气压值P
t
为横轴，以每一级气压值P
t
对应的芯片饱和度S
r
为纵轴绘制曲线，即为饱和度S
r
为参量的微流控芯片(6)模拟非饱和土体的土水特征曲线；
⑦
通过公式(7)确定体积含水率θ
t
为参量的微流控芯片(6)模拟非饱和土体的土水特征曲线，公式(7)为：式(7)中：θ
t
为t时刻微流控芯片(6)体积含水率，可通过式(8)计算；θ
s
为微流控芯片(6)饱和体积含水率，可通过式(9)计算；θ
r
为微流控芯片(6)残余体积含水率，可通过式(10)计算；h
t
为t时刻微流控芯片(6)内部水势，可通过式(5)计算；α、m、N均为拟合参数，m＝1
‑
1/N；其中，公式(8)、(9)、(10)分别为：其中，公式(8)、(9)、(10)分别为：其中，公式(8)、(9)、(10)分别为：公式(8)、(9)、(10)中，V
H
为微流控芯片(6)的等效孔隙总体积，通过公式(4)计算获取；
V
t
为(0,t)时间段内通过高精度流体流量计(13)的排水体积，可采用公式(1)计算；V
c
为微流控芯片(6)的总体积,通过公式(2)计算获取；m
s
为试验前绝对干燥的微流控芯片(6)质量；m
r
为试验结束并烘干后的微流控芯片(6)质量；ρ
w
为步骤1中饱和所用流体的密度(流体为水、柴油、汽油、纯污染液)；
⑧
将公式(5)、(8)、(9)、(10)的结果代入式(7)可得拟合参数α、m、N，最后将α、m、N、θ
s
、θ
r
代入式(7)，即可得到微流控芯片(6)模拟土体中体积含水率θ
t
与水势h
t
关系的土水特征曲线表达式；子方法二：基于微流控芯片(6)及非水相有机物荧光可视化装置的水油两相流体相对渗透率测试子方法；步骤A1：根据权利要求1所述，组装土体驱替
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相变微流控模拟的荧光可视装置；步骤A2：接通耐温背景光源(31)电源，并调整紫外线LED灯(312)的波长来诱导微流控芯片(6)中非水相有机物产生波长在390nm
‑
780nm范围内的荧光；之后打开CMOS相机(32)，并设置采集频率和成像范围；步骤A3：启动电控温器(24)，并调节加热温度、加热速率，使试样舱(22)温度调节至T
x
并稳定1h；步骤A4：数据采集，调整CMOS相机(32)成像区域，打开计算机采集软件，记录并储存图像；步骤A5：图像处理，将图像二值化，提取t
x
时刻微流控芯片(6)图像的荧光部分面积A
ntx
以及非荧光部分面积A
wtx
；图像荧光部分面积百分比α可采用公式(11)计算，公式(11)为：式(11)中，α为图像荧光部分面积百分比；A为微流控芯片(6)底面积；...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈之祥，华龙飞，万勇，薛强，何星星，董志伟，孙翔，欧治松，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：
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