科研動(dòng)態(tài)
使用太赫茲光譜識(shí)別Y型微通道中的油水兩相流模式
中文題目：使用太赫茲光譜識(shí)別Y型微通道中的油水兩相流模式
論文題目：Pattern identification of kerosene-water two-phase flow in Y-shaped microchannels using terahertz spectroscopy
錄用期刊/會(huì)議：Colloids and Surfaces A- Physicochemical and Engineering Aspects (中科院大類(lèi)2區(qū)，JCR Q2)
原文DOI：https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2024.133754
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927775724006150
錄用/見(jiàn)刊時(shí)間：2024年5月22日
作者列表：
1）劉學(xué)聰 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè) 博22
2）宋 艷 北京航天計(jì)量測(cè)量技術(shù)研究院技術(shù)員
3）黃丹陽(yáng) 中國(guó)石油大學(xué)（北京）新能源與材料學(xué)院材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè) 碩22
4）趙 昆 中國(guó)石油大學(xué)（北京）新能源與材料學(xué)院材料科學(xué)與工程系教師
5）苗昕揚(yáng) 中國(guó)石油大學(xué)（北京）新能源與材料學(xué)院材料科學(xué)與工程系教師
6）詹洪磊 中國(guó)石油大學(xué)（北京）新能源與材料學(xué)院材料科學(xué)與工程系教師
摘要:
本文基于太赫茲時(shí)域光譜（THz-TDS）研究了Y型微通道中煤油-水兩相流的行為。在利用THz-TDS峰強(qiáng)度對(duì)微通道中煤油-水兩相流的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水相表觀(guān)速度固定時(shí)，THz-TDS的結(jié)果在不同的油相表觀(guān)速度范圍內(nèi)被分為液滴流、塞流、段塞流和界面變形流四種流型。隨著水相流量的增大，液滴流和塞流流型的區(qū)域越寬。
背景與動(dòng)機(jī):
非常規(guī)油氣儲(chǔ)層致密、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、滲透性差、多為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微納米孔隙，其特征尺寸基本覆蓋了微尺度的全部。這類(lèi)儲(chǔ)層中油、氣、水的流動(dòng)多為非達(dá)西流，其運(yùn)移方式、滲流機(jī)理等方面均不同于常規(guī)油氣資源，清楚認(rèn)識(shí)微納米孔隙中流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是實(shí)現(xiàn)非常規(guī)油氣資源有效開(kāi)發(fā)的理論基礎(chǔ)，也是提高石油采收率并優(yōu)化開(kāi)采過(guò)程的基礎(chǔ)。然而受各種因素的限制，其流動(dòng)機(jī)理尚未研究清楚，了解該過(guò)程對(duì)于油氣資源的經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)具有重要的意義。
極性分子中由氫鍵組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)太赫茲波產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收作用，非極性分子對(duì)太赫茲波的響應(yīng)體現(xiàn)的主要是分子間的集體振動(dòng)模式，對(duì)太赫茲波的吸收相對(duì)較小，因而根據(jù)物質(zhì)分子在太赫茲波段的特征指紋譜，能夠靈敏地鑒別不同的物質(zhì)。太赫茲波不僅可以對(duì)流體進(jìn)行成像分析，還能夠提供流體的物理化學(xué)信息乃至分子動(dòng)力學(xué)過(guò)程或量子互作用過(guò)程等重要信息。這使得太赫茲光譜技術(shù)在微流體傳感甚至是微納米孔隙中油氣流動(dòng)動(dòng)力學(xué)研究方面存在一定的應(yīng)用潛力。因此，我們探索性地將太赫茲光譜技術(shù)應(yīng)用于微流體流動(dòng)參數(shù)的分析中，對(duì)微通道內(nèi)油水兩相流的流型進(jìn)行了表征。
設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):
如圖1所示，本文利用透射式THz-TDS和微通道油水兩相流系統(tǒng)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，根據(jù)兩相流的太赫茲光譜參數(shù)分析其相應(yīng)流動(dòng)條件下的流型。兩通道通過(guò)注射泵精確控制水相和油相的入口速度，“Y”型微流控芯片以聚四氟乙烯片作為基片，石英片為蓋片，并附著兩個(gè)采樣孔來(lái)進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)的采集。
圖1 （a）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；（b）測(cè)試流程圖
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:
如圖2所示，以開(kāi)始注入油相的時(shí)刻為零點(diǎn)，對(duì)油水兩相流進(jìn)行連續(xù)的掃描以捕獲不同時(shí)刻兩相流的太赫茲光譜參數(shù)。隨著時(shí)間的推移，在不同流動(dòng)條件下得到的時(shí)域峰值信號(hào)的變化規(guī)律出現(xiàn)了類(lèi)似變化趨勢(shì)，整個(gè)過(guò)程可分為快速增長(zhǎng)和穩(wěn)定兩個(gè)階段。
圖2 兩相流流型發(fā)展過(guò)程的太赫茲光譜監(jiān)測(cè)
受流體性質(zhì)、微通道材料、通道幾何尺寸以及注入段等因素的影響，微通道內(nèi)液-液兩相流的流型與宏觀(guān)尺度通道內(nèi)的流型有很大的不同。圖3為水和煤油與不同材質(zhì)的接觸角圖片，結(jié)果表明，分散水相和煤油的連續(xù)相均會(huì)發(fā)生在煤油的表觀(guān)速度（vk）高的情況下。
圖3（a）水和（b）煤油和PTFE的接觸角；（c）水和（d）煤油與石英的接觸角
圖4和圖5為水相表觀(guān)速度（vw）為13.96 cm/s時(shí)，改變煤油的表觀(guān)速度時(shí)在微通道中部采樣得到的穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)的油水兩相流的太赫茲時(shí)域波形和相關(guān)參數(shù)。受油相速度的影響，油水兩相在微通道內(nèi)的相分布產(chǎn)生了變化，太赫茲光譜信號(hào)參數(shù)的上下波動(dòng)反映了不同的流型轉(zhuǎn)變。
圖4 不同油流量下透過(guò)油水兩相流的太赫茲脈沖信號(hào)
圖5 （a）tp、（b）Ep與油流量之間的關(guān)系
圖6和圖7展示了在固定煤油的表觀(guān)速度的情況下，改變水相流速的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Ep的結(jié)果表明，該情況下僅出現(xiàn)了液滴流、塞流、段塞流三個(gè)階段，兩相流的流型模式強(qiáng)烈依賴(lài)于煤油的流速。因此，可以通過(guò)參數(shù)β=k/vw建立流型和THz-TDS測(cè)試結(jié)果之間依賴(lài)關(guān)系。
圖6 Ep和水相流速之間的關(guān)系
圖7 參數(shù)β和水相流速之間的函數(shù)關(guān)系
結(jié)論:
利用太赫茲光學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律實(shí)現(xiàn)了Y形矩形微通道油水兩相流流型的識(shí)別。結(jié)果表明，在較寬的煤油流速范圍內(nèi)流型包括：液滴流、塞流、段塞流和界面變形流。此外，太赫茲脈沖的幅度與水相流速度密切相關(guān)。在27.71 cm/s的高水相流速下，流型僅包括液滴流、塞流和段塞流三種流型，且隨著水相流速的持續(xù)增加，液滴流和塞流的區(qū)域增大。為避免在實(shí)際測(cè)試中出現(xiàn)一個(gè)值對(duì)應(yīng)多個(gè)相的情況，設(shè)置了參數(shù)β來(lái)表征煤油-水兩相流模式，最終為微通道中油水兩相流系統(tǒng)的行為提供了一種快速、原位的評(píng)價(jià)方法。
作者簡(jiǎn)介:
劉學(xué)聰，博士研究生，研究方向?yàn)橛蜌夤鈱W(xué)探測(cè)技術(shù)。在Chem. Eng. J、IEEE Sens. J、IEEE Trans. Instrum. Meas等期刊發(fā)表論文19篇，其中第一作者SCI論文9篇。獲第十三屆王濤英才獎(jiǎng)學(xué)金、2024年中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)二等獎(jiǎng)學(xué)金、2023年中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)優(yōu)秀學(xué)術(shù)成果等獎(jiǎng)項(xiàng)。
通訊作者簡(jiǎn)介:
趙昆，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛蜌夤鈱W(xué)探測(cè)技術(shù)與智能制造。