基于孔隙結構的二維微觀網(wǎng)絡模型

1、1基于孔隙結構的二維微觀網(wǎng)絡模型基于孔隙結構的二維微觀網(wǎng)絡模型楊建，陳家軍，田亮(環(huán)境模擬與污染控制國家重點實驗室北京師范大學環(huán)境學院，北京100875)Email:Jeffchen@bnu.摘要：摘要：本文根據(jù)未固結砂顆粒多孔介質(zhì)薄片分析所得到的孔隙結構，構建二維微觀網(wǎng)絡模型，為開展孔隙尺度下流體運動的網(wǎng)絡模型實驗研究提供技術支持。首先將普通標準石英砂篩分、清洗、烘干、固結，制作出二維薄片，進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，結果發(fā)現(xiàn)，孔隙率與粒徑呈負相關，孔徑與粒徑呈正相關，而且不同孔徑的分布頻率隨孔徑的增大而減??；然后對孔隙結構參數(shù)進行分析處理，提取孔隙和喉道的直徑值，設計網(wǎng)絡模型圖并用激光刻蝕法制作模型板。該方法將實際多孔介質(zhì)孔隙結構與網(wǎng)絡模型研究結合，是用網(wǎng)絡模型研究實際多孔介質(zhì)污染運移的基礎。關鍵詞：關鍵詞：網(wǎng)絡模型；薄片；孔隙結構；激光刻蝕1、引言1、引言多孔介質(zhì)的微觀結構以及占據(jù)孔隙空間的不同相流體的物理性質(zhì)對介質(zhì)孔

3、隙中流體運動的微觀機理和宏觀特征有很大的影響：微觀上，孔隙結構在很大程度上決定了流體運動的機理，例如，彎液面的變化、流體的斷開和重分布、可溶相流體的水動力彌散、界面質(zhì)量運移、膠質(zhì)的運移—沉積、氣體混合物的擴散和反應等(PayatakesDias1984Lietal.1986Dullien1992Sahimi1993TsakiroglouPayatakes1998)；宏觀上，多孔介質(zhì)的微觀結構影響著工業(yè)生產(chǎn)（例如，從儲層中開采油氣）和環(huán)境

4、污染治理（例如，地下含水層中海水、工業(yè)化學品、農(nóng)業(yè)化學品和垃圾滲濾液等污染，以及受污染地下水的原位修復等）中流體的運動規(guī)律(TsakiroglouPayatakes2000)?？紫督Y構越真實細致，就越能夠反映真實的多孔介質(zhì)結構特征以及流體運動規(guī)律，所以在用網(wǎng)絡模型進行流體運動的研究中，需要不斷提高孔隙拓撲等價性、形狀不規(guī)則性和尺寸相關性等(TsakiroglouPayatakes2000renBakke2002renBakke2003)

5、。實際多孔介質(zhì)孔隙結構非常復雜，對孔道結構進行精確描述是不可能的，研究過程中應采用合適的方法確定孔隙結構的主要影響參數(shù)。目前用于測量孔隙結構的方法中，較早采用教育部重點基金項目(批準號：104012)[KeyResearchFundofMinistryofEducationofChina(No.104012)]；國家自然科學基金資助項目(40272107)[Project40272107supptedbyNationalNaturalS

6、cienceFoundationofChina]通訊聯(lián)系人：陳家軍.Email:jeffchen@bnu.:www.paper.3小時烘干。預處理干凈的砂粒，根據(jù)薄片制作程序做出可以進行孔隙結構分析的薄片，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；②在高溫下，用油溶藍染色的環(huán)氧樹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，直至樹脂完全固結硬化；③對

7、鑄體的一面依次用200、600和1200目的磨片機進行初磨，再用3000目的瑪瑙板精磨；④打磨后的樣品用環(huán)氧樹脂粘在2848mm載玻片上，用切片機切出3~4mm厚薄片；⑤重復③中的操作步驟，再用6000目瑪瑙板精磨；⑥在載玻片上對薄片進行人工修片，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），從每個薄片隨體攝取兩張圖像，并存儲到計算機硬盤中，供進一步分析。根據(jù)孔隙結構參數(shù)測量要求，用多孔介質(zhì)微結構圖像分析軟件將圖像數(shù)字化，分析孔隙結構的相關參數(shù)值，包括孔隙直徑和平均孔隙直徑、顆粒直徑、孔隙率等，然后對所獲數(shù)據(jù)進行分析處理，得到既符合實際多孔介質(zhì)孔隙結構，又便