基于孔隙結(jié)構(gòu)的二維微觀網(wǎng)絡(luò)模型

1、1基于孔隙結(jié)構(gòu)的二維微觀網(wǎng)絡(luò)模型基于孔隙結(jié)構(gòu)的二維微觀網(wǎng)絡(luò)模型楊建，陳家軍，田亮(環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京100875)Email:Jeffchen@bnu.摘要：摘要：本文根據(jù)未固結(jié)砂顆粒多孔介質(zhì)薄片分析所得到的孔隙結(jié)構(gòu)，構(gòu)建二維微觀網(wǎng)絡(luò)模型，為開(kāi)展孔隙尺度下流體運(yùn)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)驗(yàn)研究提供技術(shù)支持。首先將普通標(biāo)準(zhǔn)石英砂篩分、清洗、烘干、固結(jié)，制作出二維薄片，進(jìn)行薄片的圖像采集和數(shù)字化處理，獲得顆粒直徑

2、、孔隙直徑、孔隙率等參數(shù)值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，孔隙率與粒徑呈負(fù)相關(guān)，孔徑與粒徑呈正相關(guān)，而且不同孔徑的分布頻率隨孔徑的增大而減小；然后對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析處理，提取孔隙和喉道的直徑值，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)模型圖并用激光刻蝕法制作模型板。該方法將實(shí)際多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)模型研究結(jié)合，是用網(wǎng)絡(luò)模型研究實(shí)際多孔介質(zhì)污染運(yùn)移的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)模型；薄片；孔隙結(jié)構(gòu)；激光刻蝕1、引言1、引言多孔介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)以及占據(jù)孔隙空間的不同相流體的物理性質(zhì)對(duì)介質(zhì)孔

3、隙中流體運(yùn)動(dòng)的微觀機(jī)理和宏觀特征有很大的影響：微觀上，孔隙結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了流體運(yùn)動(dòng)的機(jī)理，例如，彎液面的變化、流體的斷開(kāi)和重分布、可溶相流體的水動(dòng)力彌散、界面質(zhì)量運(yùn)移、膠質(zhì)的運(yùn)移—沉積、氣體混合物的擴(kuò)散和反應(yīng)等(PayatakesDias1984Lietal.1986Dullien1992Sahimi1993TsakiroglouPayatakes1998)；宏觀上，多孔介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)影響著工業(yè)生產(chǎn)（例如，從儲(chǔ)層中開(kāi)采油氣）和環(huán)境

4、污染治理（例如，地下含水層中海水、工業(yè)化學(xué)品、農(nóng)業(yè)化學(xué)品和垃圾滲濾液等污染，以及受污染地下水的原位修復(fù)等）中流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(TsakiroglouPayatakes2000)。孔隙結(jié)構(gòu)越真實(shí)細(xì)致，就越能夠反映真實(shí)的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征以及流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，所以在用網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行流體運(yùn)動(dòng)的研究中，需要不斷提高孔隙拓?fù)涞葍r(jià)性、形狀不規(guī)則性和尺寸相關(guān)性等(TsakiroglouPayatakes2000renBakke2002renBakke2003)

5、。實(shí)際多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，對(duì)孔道結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確描述是不可能的，研究過(guò)程中應(yīng)采用合適的方法確定孔隙結(jié)構(gòu)的主要影響參數(shù)。目前用于測(cè)量孔隙結(jié)構(gòu)的方法中，較早采用教育部重點(diǎn)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：104012)[KeyResearchFundofMinistryofEducationofChina(No.104012)]；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40272107)[Project40272107supptedbyNationalNaturalS

6、cienceFoundationofChina]通訊聯(lián)系人：陳家軍.Email:jeffchen@bnu.:www.paper.3小時(shí)烘干。預(yù)處理干凈的砂粒，根據(jù)薄片制作程序做出可以進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)分析的薄片，具體步驟如下：①取一定量石英砂，按自然堆放方式放置于直徑25mm的圓柱形制樣盒中，并壓實(shí)；②在高溫下，用油溶藍(lán)染色的環(huán)氧樹(shù)脂液體緩慢注入砂顆粒之間的孔隙中，并將該鑄體放置在60~70℃的恒溫箱中8~12小時(shí)，直至樹(shù)脂完全固結(jié)硬化；③對(duì)

7、鑄體的一面依次用200、600和1200目的磨片機(jī)進(jìn)行初磨，再用3000目的瑪瑙板精磨；④打磨后的樣品用環(huán)氧樹(shù)脂粘在2848mm載玻片上，用切片機(jī)切出3~4mm厚薄片；⑤重復(fù)③中的操作步驟，再用6000目瑪瑙板精磨；⑥在載玻片上對(duì)薄片進(jìn)行人工修片，使其光滑平整，在薄片上加蓋片，制成砂粒介質(zhì)薄片。(a)(b)(c)(d)(e)圖2各粒徑薄片上采集的圖像，(a)~(e)圖片的粒徑分別為0.5~1mm、0.25~0.5mm、0.25mm、0.

8、25~0.45mm、0.45~0.5mm2.2圖像獲取及數(shù)字化2.2圖像獲取及數(shù)字化將薄片放置在光學(xué)顯微鏡下，用安裝在顯微鏡上的圖像采集系統(tǒng)獲得放大40倍的圖像（圖2），從每個(gè)薄片隨體攝取兩張圖像，并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中，供進(jìn)一步分析。根據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量要求，用多孔介質(zhì)微結(jié)構(gòu)圖像分析軟件將圖像數(shù)字化，分析孔隙結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)值，包括孔隙直徑和平均孔隙直徑、顆粒直徑、孔隙率等，然后對(duì)所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到既符合實(shí)際多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)，又便