本技術屬于土壤地下水污染修復，尤其涉及一種孔隙介質兩相流油-水界面面積與傳質系數的計算方法。

背景技術：

1、在油氣開采、二氧化碳地質封存、土壤地下水污染修復等領域，廣泛涉及孔隙介質兩相流過程。在油氣開采中，通過準確識別兩相流的相結構和油-水界面面積，可以促進兩相流動結構的認識；在二氧化碳地質封存中，超臨界二氧化碳和鹵水界面面積的準確計算，可以促進其機理認識和提高封存效率；在土壤地下水非水相液體污染的修復過程中，通過準確識別孔隙介質油-水界面和計算傳質系數，可以解析細觀修復機理和改善修復效果。因此，油-水界面面積和傳質系數的準確計算是認識兩相流機制和提高相關工程效率的重要前提。

2、在以往的研究中，諸多方法用于計算兩相流中的油-水界面面積和傳質系數。首先，通過砂箱類的“黑箱”實驗，學者們可以計算出集總式的傳質速率系數，但不能直接觀察介質內部結構進而造成兩相界面面積的確實。其次，通過ct掃描技術可以準確識別出多相界面，但較長的掃描周期給兩相傳質系數計算帶來較大誤差。此外，基于激光共聚焦顯微鏡的透明玻璃柱實驗可以準確識別多相界面并計算傳質系數，但其成本過高。因此，亟需開發一種成本低、掃描快、精度高、計算迅速的孔隙介質兩相流油-水界面面積與傳質系數的計算方法。

技術實現思路

1、本技術實施例提供了一種孔隙介質兩相流油-水界面面積與傳質系數的計算方法，可以解決現有孔隙介質兩相流油-水界面面積與傳質系數的計算中技術成本高、計算精度低、時效性差的問題。

2、第一方面，本技術實施例提供了孔隙介質兩相流油-水界面面積與傳質系數的計算方法，包括：s1、建立孔隙介質兩相流圖像數據集：搭建可視化實驗平臺進行孔隙介質兩相流實驗，并通過工業相機獲取兩相流過程高精度圖像，建立兩相流圖像數據集；s2、將所述兩相流圖像數據集中的原始圖像歸一化至標準樣式后識別其中的油相流體區域，并根據油相流體區域計算油相飽和度；s3、識別并計算二維孔隙介質中固體骨架顆粒的表面積、水相流體的表面積，以及油相流體的表面積，根據所述二維孔隙介質中固體骨架顆粒的表面積、所述水相流體的表面積以及所述油相流體的表面積，計算油-水兩相界面面積；s4、計算已經溶解在水相流體中油的濃度，并計算油在水相中的最大溶解度，根據所述已經溶解在水相流體中油的濃度和所述油在水相中的最大溶解度，計算油-水傳質系數；s5、繪制油-水界面面積演化曲線和油-水傳質系數演化曲線：基于s1至s4獲得的油-水兩相界面面積和油-水傳質系數，繪制孔隙介質兩相流過程的油-水界面面積演化曲線和油-水傳質系數演化曲線。

3、在第一方面的一種可能的實現方式中，上述步驟s1具體包括以下步驟：

4、s101、搭建可視化實驗平臺，包括可見光光源、高分辨率相機、二維透明孔隙介質、注射泵、注射管、計算機以及連接架；

5、s102、制備二維透明孔隙介質：確定二維透明孔隙介質的材質、孔隙度流道域面積s、流道深度h以及非均質性；

6、s103、進行孔隙介質兩相流實驗，包括以下步驟：

7、s1031、將二維透明孔隙介質浸沒在裝有去離子水的燒杯中，再將燒杯放置于真空箱中使二維透明孔隙介質完全飽和；

8、s1032、將染色后的油相流體注入二維透明孔隙介質中，記錄染色劑類型；

9、s1033、用去離子水驅替染色后的油相流體以獲取油相殘余態；

10、s1034、將水相流體以流速v注入二維透明孔隙介質，并用圖像分辨率為δ的相機記錄孔隙介質兩相流實驗的過程，以建立兩相流圖像數據集。

11、可選的，在第一方面的另一種可能的實現方式中，上述步驟s2具體包括以下步驟：

12、s201、圖像校正：根據二維透明孔隙介質流道的形態與尺寸，將歸一化后的原始圖像裁剪至目標區域，再將原始圖像旋轉至流道與屏幕水平方向或垂直方向；

13、s202、油相識別：根據預設的油相流體rgb范圍對原始圖像中的油相流體進行識別并判斷是否識別準確，若準確，則確定原始圖像中的油相流體區域；若不準確，則調整預設的油相流體rgb范圍后再次對原始圖像中的油相流體進行識別，直至識別準確；

14、s203、飽和度計算：計算二維透明孔隙介質中油相流體區域的飽和度so，計算公式為：

15、

16、式中，no為油相流體區域在原始圖像中占據的像素點數量；δ為原始圖像分辨率；

17、原始圖像分辨率δ是原始圖像中每個像素點所代表的真實面積，計算公式為：

18、δ＝lw/xy?(2)

19、式中，l為圖像校正后原始圖像的實際長度；w為圖像校正后原始圖像的實際寬度；x為原始圖像在屏幕水平方向的像素點數量；y為原始圖像在屏幕垂直方向的像素點數量。

20、可選的，在第一方面的另一種可能的實現方式中，上述步驟s3具體包括以下步驟：

21、s301、識別并計算二維孔隙介質中固體骨架顆粒的表面積：根據預設的rgb范圍對流道范圍進行識別，確定固體骨架在二維孔隙介質中的相對位置，修改matlab中regionprops內置程序以計算固體骨架的表面積，固體骨架的表面積包括固體骨架的界面長度和固體骨架的界面面積；

22、s302、識別并計算水相流體的表面積：根據預設的rgb范圍對水相流體進行識別，確定水相流體的空間位置，計算水相流體的表面積，水相流體的表面積包括水相流體的界面長度和水相流體的界面面積；

23、s303、識別并計算油相流體的表面積：根據預設的rgb范圍對油相流體進行識別，確定油相流體的空間位置，計算油相流體的表面積，油相流體的表面積包括油相流體的界面長度和油相流體的界面面積；

24、s304、計算油-水界面面積，公式如下：

25、so-w＝lo-w×h?(3)

26、ls+o＝ls-w+lo-w?(4)

27、lo＝lc-o+lo-w?(5)

28、ls＝ls-w+ls-o?(6)

29、lo-w＝(ls+o+lo-ls)/2?(7)

30、式中，so-w為油-水界面面積；lo-w為油-水界面長度；固體骨架、油相流體、水相流體的周長分別為ls、lo、lw；固體骨架-油相流體、油相流體-水相流體、固體骨架-水相流體的界面長度分別為ls-o、lo-w、ls-w，固體骨架和油相流體融合體與水相流體的界面長度為ls+o。

31、可選的，在第一方面的另一種可能的實現方式中，上述步驟s4具體包括以下步驟：

32、s401、計算已經溶解在水相流體中油的濃度c，計算公式為：

33、

34、

35、式中，ρ為油的密度；vm為介質的孔隙體積；δso為油的飽和度變化量；q為水的注入流量；δt為水的注入時間；介質孔隙體積為vm；

36、s402、計算油在水相中的最大溶解度cs：根據油相類型、水相中的溶質組成、溶質濃度，計算油在水相中的最大溶解度；

37、s403、計算油-水兩相傳質系數k，計算公式為：

38、

39、

40、式中，cs為油在水相中的最大溶解度；as為油的總體比表面積。

41、可選的，在第一方面的另一種可能的實現方式中，上述步驟s5具體包括以下步驟：

42、s501、統計兩相流過程中的時間t、油-水界面面積so-w、油-水傳質系數k；

43、s502、以時間t為橫坐標，油-水界面面積so-w和油-水傳質系數k為縱坐標，繪制油-水界面面積演化曲線so-w-t圖和油-水傳質系數演化曲線k-t圖。

44、在本技術技術方案，先建立孔隙介質兩相流圖像數據集，再將兩相流圖像數據集中的原始圖像歸一化至標準樣式后識別其中的油相流體區域，并根據油相流體區域計算油相飽和度，接著根據二維孔隙介質中固體骨架顆粒的表面積、水相流體的表面積以及油相流體的表面積計算油-水兩相界面面積，再根據已經溶解在水相流體中油的濃度和油在水相中的最大溶解度計算油-水傳質系數，最后繪制油-水界面面積演化曲線和油-水傳質系數演化曲線。本技術提升了孔隙介質兩相流油-水界面面積與傳質系數的計算精度和計算效率。