CN116337708A - 提取多孔材料孔隙特征和流体分布的方法与*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供提取多孔材料孔隙特征和流体分布的方法与***，能够准确提取孔隙连通性和界面面积信息，表征材料的真实孔隙情况和流体分布情况。方法包括：步骤1，对试样进行三维扫描成像和图像预处理；步骤2，确定入口面，对入口面上体素逐个进行判断，保存至数组B中；确定出口面，对出口面上体素逐个进行判断，保存至数组C中；步骤3，对既不位于入口面，也不位于出口面上的那些内层，由外至内逐层判断孔隙体素的连通性；步骤4，根据数组B和C，对所有孔隙体素的连通性坐标进行判断，全连通孔隙体素保存到数组D中；半连通孔隙体素保存到数组E中，封闭孔隙体素保存到数组F中；步骤5，根据数组D、E、F确定试样的孔隙特征和连通性情况。
Description
技术领域
本发明属于多孔材料特征获取技术领域，具体涉及提取多孔材料孔隙特征和流体分布的方法与***。
背景技术
目前对多孔材料中液体(例如，水)分布的连通孔隙处理主要为两种，一种为先将试样转化后得到由固体体素和孔隙体素形成的三维二值图像，将孔隙结构简化为由规则的球状孔和圆管状孔喉构成，其中大的孔按照一定的体积换算规则简化为球形，使用MATLAB的bwlabeln函数以六连通的方式进行连通性分析，由此得到每个孔隙空间及其连通空间块。另一种为建立球体颗粒堆积模型，对模型采用MATLAB中的Delaunay Triangulation函数作用该二维矩阵，即实现对球心点集的Delaunay四面体剖分；对矩阵作用DelaunayTriangulation函数以执行对圆心点集的Delaunay三角剖分。对球心点集执行Delaunay四面体剖分以把堆积模型划分为由多个四面体组成的集合后，根据孔隙四面体是否处于对立面逐一判断集合中四面体的连通性。然而，绝大部分多孔介质中孔隙结构非常复杂，孔隙形状基本都不规则，空间变异性很大，检查孔隙对立面的方法无法准确地判断孔隙之间是否连通，将孔隙结构用规则形状进行等效简化，改变了孔隙的真实结构形状，等效简化后的孔隙与真实结构形状特征存在较大差异，不能准确表征材料的真实孔隙情况，更无法表征液体在材料孔隙中的真实分布情况。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种提取多孔材料孔隙特征和流体分布的方法与***，能够准确提取孔隙连通性和界面面积信息，表征材料的真实孔隙情况和流体(液体和气体)在材料孔隙中的真实分布情况。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
<孔隙特征提取方法>
本发明提供了提取多孔材料孔隙特征的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对多孔材料试样进行三维扫描成像和图像预处理，得到包含nx×ny×nz个体素的试样三维图，将体素编号记为ip[i][j][k]，i、j、k分别代表该体素在x、y、z方向的坐标，ip[i][j][k]＝a0时，该体素为固体体素；ip[i][j][k]＝a1时，该体素为孔隙体素；a0≠a1；
步骤2，确定试样的入口面，然后对入口面上体素逐个进行判断，当ip[i][j][k]＝a1时，将该体素编号改为ipB[i][j][k]＝a3，保存至数组B中；确定试样的出口面，然后对出口面上体素逐个进行判断，当ip[i][j][k]＝a1时，将该体素编号改为ipC[i][j][k]＝a4，保存至数组C中；
步骤3，对既不位于入口面，也不位于出口面上的那些内层，由外至内逐层判断孔隙体素的连通性：
将已经被判断和保存至数组B的相邻外层作为入口标准层，将位于入口标准层内侧、与入口标准层相邻、当前待判断的那一层内层记为当前层，将当前层ip[i][j][k]＝a1的孔隙体素逐个与入口标准层进行连通性判断，一旦当前孔隙体素与入口标准层的孔隙体素存在连通关系，就将该当前孔隙体素的编号改为ipB[i][j][k]＝a3，保存至数组B中，进一步判断该当前孔隙体素是否存在同一层内相连通的孔隙体素，若存在则将所有相连通的孔隙体素编号都改为ipB[i][j][k]＝a3，保存至数组B中，然后判断下一个未被判断过连通关系(即、没有进行过前面提到的“连通性判断”，也没有被判定为是“同一层内相连通的孔隙体素”)的孔隙体素，直至当前层所有孔隙体素都被判断完，将当前层未被编入数组B中的孔隙体素的编号都改为ipB[i][j][k]＝a2，保存至数组B中，接着将该当前层作为入口标准层，将下一层内层标作为当前层，按照前述方式进行判断，直至所有内层都被判断完；
将已经被判断和保存至数组C的相邻外层作为出口标准层，将位于出口标准层内侧、与出口标准层相邻、当前待判断的那一层内层记为当前层，将当前层ip[i][j][k]＝a1的孔隙体素逐个与出口标准层进行连通性判断，一旦当前孔隙体素与出口标准层的孔隙体素存在连通关系，就将该当前孔隙体素的编号改为ipC[i][j][k]＝a4，保存至数组C中，进一步判断该当前孔隙体素是否存在同一层内相连通的孔隙体素，若存在则将所有相连通的孔隙体素编号都改为ipC[i][j][k]＝a4，保存至数组C中，然后判断下一个未被判断过连通关系的孔隙体素，直至当前层所有孔隙体素都被判断完，将当前层未被编入数组C中的孔隙体素的编号都改为ipC[i][j][k]＝a2，保存至数组C中，接着将该当前层作为出口标准层，将下一层内层标作为当前层，按照前述方式进行判断，直至所有内层都被判断完；a0、a1、a2、a3、a4取值互异；
步骤4，根据数组B和C，对所有孔隙体素的连通性坐标(ipB[i][j][k]，ipC[i][j][k])进行判断：将ipB[i][j][k]＝a3，ipC[i][j][k]＝a4的体素作为连通出口与入口、贯穿整个试样的全连通孔隙体素保存到数组D中；将ipB[i][j][k]与ipC[i][j][k]中一个等于a2另一个等于a4的体素作为仅与出口或者入口相通的半连通孔隙体素保存到数组E中，将ipB[i][j][k]＝ipC[i][j][k]＝a2的体素作为与出口和入口都不相通的封闭孔隙体素保存到数组F中；
步骤5，根据数组D、E、F确定试样的孔隙特征和连通性情况。
优选地，本发明提供的提取多孔材料孔隙特征的方法，还可以具有以下特征：如图1所示，当试样存在q个入口面，q≥2，为了区分孔隙与不同入口面的关系，在步骤3中，将各入口面采用不同的体素子编号ipB[i][j][k]＝a3t，t＝1～q，并保存至不同的子数组Bt中；当试样存在q个出口面，q≥2，为了区分孔隙与不同出口面的关系，在步骤3中，将各出口面采用不同的体素子编号ipC[i][j][k]＝a4t，t＝1～q，并保存至不同的子数组Ct中。
优选地，本发明提供的提取多孔材料孔隙特征的方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，将当前层ip[i][j][k]＝a1的孔隙体素逐个与入口标准层进行入口连通性判断指的是：将当前层的孔隙体素T1逐个与入口标准层中ipB[i][j][k]＝a3、且与T1相邻的每个孔隙体素T3进行判断，如果当前T1与T3存在图2所示的体素之间共面、共棱或共顶点关系，则判断为当前T1与T3存在连通关系；将当前层ip[i][j][k]＝a1的孔隙体素逐个与出口标准层进行出口连通性判断指的是：将当前层的孔隙体素T1逐个与出口标准层中ipC[i][j][k]＝a4、且与体素T1相邻的每个孔隙体素T4进行判断，如果当前T1与T4存在体素之间共面、共棱或共顶点关系，则判断为当前T1与T4存在连通关系；判断当前孔隙体素是否存在同一层内相连通的孔隙体素指的是：在同一层内，判断是否存在与当前孔隙体素共面或共棱或者通过同层内其他孔隙体素间接共面或共棱的孔隙体素。
优选地，本发明提供的提取多孔材料孔隙特征的方法，还可以具有以下特征：在步骤5中，按以下公式计算整个试样的孔隙连通度：
式中，c为整个试样的孔隙连通度；nc为数组D中所有体素数目；n为试样包含的所有孔隙体素数目，其值为步骤1中ip[i][j][k]＝a1的体素总数。
优选地，本发明提供的提取多孔材料孔隙特征的方法，还可以具有以下特征：在步骤5中，根据数组D、E、F确定试样的孔隙结构和全连通孔隙、半连通孔隙、封闭孔隙的数量、位置、占比、密度，并在三维模型上将全连通孔隙、半连通孔隙、封闭孔隙三种孔隙用不用颜色进行标识。
<流体分布提取方法>
进一步，本发明还提供了提取多孔材料流体分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤I，采用权利要求1至5中任意一项所描述的提取多孔材料孔隙特征的方法提取试样孔隙特征，进而得到具有真实孔隙结构的试样三维模型；
步骤II，对模型中连通孔隙结构进行吸液(液体可以是水，或者任意其它成份的溶液、溶胶等)和排液模拟实验，从而获取不同状态下孔隙内液体分布情况：试样的入口面与压力为p的液压相连，在压力p和毛管压力的共同作用下，液体进入连通孔隙；液体只进入那些液压相连且毛细压力绝对值高于p的孔隙；一旦液体达到稳定状态，就逐渐增加压力p；重复前述过程，直到所有连通孔隙被液体填满；在连通孔隙中的液体完全饱和后，通过统计单位时间内试样的流量来计算渗透率，并得到吸液曲线；随后，通过在试样出口面施加压力，将孔隙中的液体压出，与吸液过程中增加压力的过程相同，并用与吸液过程相同的方式得到脱水曲线；在排液过程中，与吸液过程不同的是，只有毛细压力绝对值小于p且与出口液压相连的孔隙中的液体才能被排出；毛管压力按照p'＝p·ε/(σ·cosθ)计算；式中，ε是体素边长；σ是液体的表面张力；θ是液-气-固接触角；
步骤III，根据步骤II获取的液体分布情况，得到连通孔隙结构中的气体分布情况，然后将液体体素编号记为ip[i][j][k]＝a5，将气体体素编号记为ip[i][j][k]＝a6；统计连通孔隙结构中液体体素和气体体素的数量分别记为nV和nL，按以下公式计算试样的液体饱和度s：
步骤IV，判断连通孔隙结构中界面类型：
对于固—液界面：遍历所有ip[i][j][k]＝a5的液体体素，对每个液体体素，判断其每个表面的相邻体素是否为ip[i][j][k]＝a0，若是，则标记该表面为固—液界面；
对于固—气界面：遍历所有ip[i][j][k]＝a6的气体体素，对每个气体体素，判断其每个表面的相邻体素是否为ip[i][j][k]＝a0，若是，则标记该表面为固—气界面；
对于气—液界面：遍历所有ip[i][j][k]＝a5的液体体素，对每个液体体素，判断其每个表面的相邻体素是否为ip[i][j][k]＝a6，若是，则标记该表面为气—液界面；或者遍历所有ip[i][j][k]＝a6的气体体素，对每个气体体素，判断其每个表面的相邻体素是否为ip[i][j][k]＝a5，若是，则标记该表面为气—液界面；
步骤V，将一个面的面积记为1体素边长的平方，对标记为固—气，固—液，气—液界面的面积依次进行求和记为nsv，nsl，nlv，则nsv，nsl，nlv依次为固—气，固—液，气—液界面的界面表面积。
优选地，本发明提供的提取多孔材料孔隙特征的方法，还可以包括：步骤VI，基于步骤I得到模型中连通孔隙结构，通过格子玻尔兹曼模拟得到孔隙中流体的密度，将试样三维图中气体体素和液体体素赋值为对应的密度；提取出所有的液体和气体体素，遍历这些体素，使用冒泡法得到液体的最大密度和气体的最小密度。
<***>
另外，本发明还提供了提取多孔材料孔隙特征和流体分布的***，其特征在于，包括：
多孔材料孔隙特征提取部，采用上述<孔隙特征提取方法>所描述的提取多孔材料孔隙特征的方法提取试样孔隙特征；
流体分布提取部，采用上述<流体分布提取方法>所描述的提取多孔材料流体分布的方法提取试样流体分布；
控制部，与所述多孔材料孔隙特征提取部和所述流体分布提取部均通信相连，控制它们的运行。
优选地，本发明提供的提取多孔材料孔隙特征和流体分布的***，还可以具有这样的特征：输入显示部，与所述多孔材料孔隙特征提取部、所述流体分布提取部、所述控制部通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。
优选地，本发明提供的提取多孔材料孔隙特征和流体分布的***，还可以具有这样的特征：输入显示部能够根据不同的体素子编号和子数组对孔隙与不同入口面和不同出口面的连通关系用不同颜色、图案进行区别显示，或者仅显示与指定出口面或入口面相连通的孔隙。
发明的作用与效果
本发明提供的提取多孔材料孔隙特征和流体分布的方法与***，首先扫描试样和预处理得到二值化后的试样三维图，然后确定试样的入口面和出口面并对位于入口面和出口面上的孔隙体素分别进行编号，接着对内层孔隙体素由外至内逐层判断与入口和出口的连通性，将所有与入口相连通的孔隙体素编号都改为ipB[i][j][k]＝a3，否则编号为ipB[i][j][k]＝a2，保存至数组B中；将所有与出口相连通的孔隙体素编号都改为ipC[i][j][k]＝a4，否则编号为ipC[i][j][k]＝a2，保存至数组C中，根据数组B和C对所有孔隙体素的连通性坐标(ipB[i][j][k]，ipC[i][j][k])进行判断，得到全连通孔隙体素保存到数组D、半连通孔隙体素数组E和封闭孔隙体素数组F，根据这些数组确定试样的孔隙特征和连通性情况。进一步，在此基础上对试样进行模拟实验，得到多孔材料中的水分布情况和固—气，固—液，气—液界面的界面信息。本发明在整个过程中一方面能够在不损坏试样内部的情况下准确、快速地获取试样中真实孔隙的表面曲折程度、结构特征、连通性等，另一方面可以通过模拟润湿，排液实验来计算孔隙内部的流体分布，获取界面表面积，最大密度等特征，对准确掌握多孔材料孔隙结构特征和内部液体及气体分布有重要意义。
附图说明
图1为本发明涉及的试样入口面和出口面的示意图，其中，试样出口面为立方体试样的下表面、左侧面、后侧面，试样入口面为立方体试样的上表面、右侧面、前侧面；这些入口面和出口面可以同时存在或者部分存在，也可以仅有一个入口面和一个出口面，另外任意出口面和入口面所在位置也可与图中相反；
图2为本发明涉及的孔隙体素之间共面(a)，共棱(b)，共顶点(c)的连通关系示意图；
图3为本发明实施例涉及的重建后获得的试样三维图像；
图4为本发明实施例涉及的试样连通孔隙分布图；
图5为本发明实施例涉及的试样水分布情况示意图，深色部分即为水在孔隙中的分布；
图6为本发明实施例涉及的吸液和排液模拟实验得到的试样保水曲线，实心点对应排水过程中的保水曲线，空心点对应润湿过程中的保水曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的提取多孔材料孔隙特征和流体分布的方法与***进行详细地说明。
<实施例>
本实施例所提供的提取多孔材料孔隙特征的方法包括以下步骤：
步骤1，选取一块多孔介质试样，并使用三维成像显微***对试样进行CT扫描，获取原始投影图像；将原始图像进行图像处理和三维重构，重构得到的三维图像如图3所示。
数组A中的体素编号记为ip[i][j][k]，其中i，j，k分别代表该体素在x，y，z方向的坐标，ip[i][j][k]＝1时，该体素为孔隙；ip[i][j][k]＝0时，该体素为固体。令i＝0，j＝0，k＝0处分别为x方向，y方向，z方向的入口面，i＝nx，j＝ny，k＝nz处分别为x方向，y方向，z方向的出口面。
步骤2，遍历试样的所有入口面，根据编号判断是否为孔隙，入口面的孔隙为入口孔隙，编号修改为ipB[i][j][k]＝3，保存得到新的数组B；遍历试样的所有出口面，出口面的孔隙为出口孔隙，编号修改为ipC[i][j][k]＝4，保存得到新的数组C。
步骤3，对既不位于入口面，也不位于出口面上的那些内层，由外至内逐层判断孔隙体素的连通性：
S3-11，将已经被判断和保存至数组B的相邻外层作为入口标准层，将位于入口标准层内侧、与入口标准层相邻、当前待判断的那一层内层记为当前层；
S3-12，将当前层ip[i][j][k]＝1的孔隙体素与入口标准层进行连通性判断，一旦当前孔隙体素与入口标准层的孔隙体素存在连通关系，就将该当前孔隙体素的编号改为ipB[i][j][k]＝3，保存至数组B中，然后进入S3-13；否则，若当前孔隙体素与入口标准层的孔隙体素不存在连通关系，当前孔隙体素完成连通关系判断，进入S3-14；
S3-13，进一步判断该当前孔隙体素是否存在同一层内相连通的孔隙体素，若存在则将所有相连通的孔隙体素编号都改为ipB[i][j][k]＝3，保存至数组B中，当前孔隙体素及同层所有相连通的孔隙体素都完成连通关系判断，然后进入S3-14；
S3-14，将下一个未被判断过连通关系的孔隙体素作为当前体素，然后返回S3-2；
重复S3-12～S3-14，直至当前层所有孔隙体素都完成判断，将当前层未被编入数组B中的孔隙体素的编号都改为ipB[i][j][k]＝2，保存至数组B中，然后进入S3-15；
S3-15，将该当前层作为入口标准层，将下一层内层标作为新的当前层，然后返回S3-12；
按照前述S3-12～S3-15方式进行判断，直至所有内层的入口连通性都被判断完。
同理，出口连通性判断方法为：
S3-21，将已经被判断和保存至数组C的相邻外层作为出口标准层，将位于出口标准层内侧、与出口标准层相邻、当前待判断的那一层内层记为当前层；
S3-22，将当前层ip[i][j][k]＝1的孔隙体素与出口标准层进行连通性判断，一旦当前孔隙体素与出口标准层的孔隙体素存在连通关系，就将该当前孔隙体素的编号改为ipC[i][j][k]＝3，保存至数组C中，然后进入S3-23；否则，若当前孔隙体素与出口标准层的孔隙体素不存在连通关系，当前孔隙体素完成连通关系判断，进入S3-24；
S3-23，进一步判断该当前孔隙体素是否存在同一层内相连通的孔隙体素，若存在则将所有相连通的孔隙体素编号都改为ipC[i][j][k]＝4，保存至数组C中，当前孔隙体素及同层所有相连通的孔隙体素都完成连通关系判断，然后进入S3-24；
S3-24，将下一个未被判断过连通关系的孔隙体素作为当前体素，然后返回S3-2；
重复S3-22～S3-24，直至当前层所有孔隙体素都完成判断，将当前层未被编入数组C中的孔隙体素的编号都改为ipC[i][j][k]＝2，保存至数组C中，然后进入S3-25；
S3-25，将该当前层作为出口标准层，将下一层内层标作为新的当前层，然后返回S3-22；
按照前述S3-22～S3-25方式进行判断，直至所有内层的出口连通性都被判断完。
步骤4，根据数组B和C，对所有孔隙体素的连通性坐标(ipB[i][j][k]，ipC[i][j][k])进行判断：当孔隙体素(i，j，k)的连通性坐标同时满足与入口孔隙连通和出口孔隙连通(ipB[i][j][k]＝3，ipC[i][j][k]＝4))时，说明该孔隙为贯穿整个试样的孔隙，将编号修改为ipG[i][j][k]＝5并保存到数组G中。基于步骤3，得到孔隙特征、连通性及分布，如图4所示，对比图3与图4可以看出提取得到的孔隙分布与扫描得到的试样表面的孔隙分布一致。另外，基于步骤3还可以计算得到连通孔的直径(根据每一层层内相互连通的连通孔隙的数量)。
将ipB[i][j][k]与ipC[i][j][k]中一个等于2另一个等于4的体素作为仅与出口或者入口相通的半连通孔隙体素保存到数组E中，将ipB[i][j][k]＝ipC[i][j][k]＝2的体素作为与出口和入口都不相通的封闭孔隙体素保存到数组F中。
步骤5，根据数组确定试样的孔隙特征和连通性情况；
统计数组G中连通整个试样的孔隙数目，按以下公式计算整个试样的孔隙连通度：
式中，c为整个试样的孔隙连通度，nc为所有连通整个试样的孔隙数目，n为所有的孔隙数目。
本实施例计算得到的孔隙数目及孔隙连通度如下表1所示：
表1孔隙统计情况
| 原始图像的孔隙数量(个) | 连通孔隙的数量(个) | 整个试样的孔隙连通度 |
| 22883429 | 19011071 | 0.83 |
进一步，本实施例还提出了提取多孔材料流体分布的方法，在前述步骤1～5提取多孔材料孔隙结构特征的基础上，还包括如下步骤：
步骤II，对提取出来的连通孔隙结构进行吸水和排水模拟实验以得到多孔材料中的水分布：试样的入口面与压力为p的水液压相连，在压力p和毛管压力(表面张力)的共同作用下，水进入连通孔隙。然而，水只能进入那些液压相连且毛细压力(绝对值)高于p的孔隙。一旦流体达到稳定状态，逐渐增加压力p，重复前述过程，直到所有孔隙被水填满。在连通孔隙中的水完全饱和后，通过统计单位时间内试样的水流量来计算渗透率，并绘制吸水曲线。随后通过在试样出口面施加压力，将孔隙中的水压出，与吸水过程中增加压力的步骤相同，并用与吸水过程相同的方式绘制脱水曲线。在排水过程中，与吸水过程不同的是，只有毛细压力小于p且与出口液压相连的孔隙中的水才能被排水。毛管压力可按照p'＝p·ε/(σ·cosθ)计算，ε是体素边长，也就是像素点的物理尺寸；σ是液体的表面张力；θ是液-气-固接触角，得到的水分布与润湿，排水过程中的保水曲线如图5，6所示。
步骤III，根据步骤II获取的液体分布情况，得到连通孔隙结构中的气体分布情况，然后将液体体素编号记为ip[i][j][k]＝a5，将气体体素编号记为ip[i][j][k]＝a6；统计连通孔隙结构中液体体素和气体体素的数量分别记为nV和nL，按以下公式计算试样的液体饱和度s：
步骤IV，判断连通孔隙结构中界面类型：
对于固—液界面：遍历所有ip[i][j][k]＝5的液体体素，对每个液体体素，判断其每个表面(六个表面逐一判断)的相邻体素是否为ip[i][j][k]＝0，若是，则标记该表面为固—液界面；
对于固—气界面：遍历所有ip[i][j][k]＝6的气体体素，对每个气体体素，判断其每个表面的相邻体素是否为ip[i][j][k]＝0，若是，则标记该表面为固—气界面；
对于气—液界面：遍历所有ip[i][j][k]＝5的液体体素，对每个液体体素，判断其每个表面的相邻体素是否为ip[i][j][k]＝6，若是，则标记该表面为气—液界面；或者遍历所有ip[i][j][k]＝6的气体体素，对每个气体体素，判断其每个表面的相邻体素是否为ip[i][j][k]＝5，若是，则标记该表面为气—液界面；
步骤V，将一个面的面积记为1体素边长的平方＝lu＝1voxel，对标记为固—气，固—液，气—液界面的面积依次进行求和记为nsv，nsl，nlv，则nsv，nsl，nlv依次为固—气，固—液，气—液界面的界面表面积。
本实施例计算得到的饱和度及各界面表面积如下表2所示：
表2界面面积统计情况
| 饱和度 | 固—气界面面积 | 固—液界面面积 | 气—液界面面积 |
| 0.706 | 11,441,714 | 9,153,372 | 2,288,343 |
步骤VI，基于步骤1～5提取的多孔材料孔隙结构特征，通过格子玻尔兹曼模拟得到孔隙中流体的密度，将试样三维图中气体体素和液体体素赋值为对应的密度；以由左至右，由下至上，由后至前的方向遍历所有流体体素，使用冒泡法得到液体最大密度和气体最小密度。本实施例中，得到液体最大密度ρmax＝8.09，气体最小密度ρmin＝0.0752。
<实施例二>
本实施例二提供了能够自动实现上述方法、提取多孔材料孔隙特征和流体分布的***，该***包括多孔材料孔隙特征提取部、流体分布提取部、输入显示部以及控制部。
多孔材料孔隙特征提取部，采用<实施例一>所描述的步骤1～5提取多孔材料试样的孔隙特征。
流体分布提取部采用<实施例一>所描述的步骤II～VI所描述的提取多孔材料流体分布的方法提取试样流体分布。
输入显示部用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。例如，输入显示部能够对多孔材料孔隙特征提取部获取的原始投影图像、重构的三维图像、各个数组、孔隙特征和连通性情况进行显示，并能够将孔隙特征和连通性情况在三维模型图上进行显示，还能够根据不同的体素子编号和子数组对孔隙与不同入口面和不同出口面的连通关系用不同颜色、图案进行区别显示，或者仅显示与指定出口面或入口面相连通的孔隙。进一步，输入显示部能够对流体分布提取部的吸水和排水模拟实验和不同状态下得到的保水曲线以及水分布、饱和度、界面类型、界面面积信息、流体最大最小密度进行显示。
控制部与多孔材料孔隙特征提取部、流体分布提取部和输入显示部均通信相连，控制它们的运行。
以上方法和***可以用于例如工业上燃料电池和其它化工催化模拟中。比如质子交换膜燃料电池，其中氢气和氧气就在一个多孔介质层中反应生成水，多孔介质层的孔隙壁面上分布有很多微小催化剂(铂)颗粒。生成的水通过多孔介质层中的孔隙排出来，然后才能维持持续反应；因此，质子交换膜中一个很重要的技术就是多孔介质层的设计，既要让气体能进去跟催化剂充分接触发生反应，又要水能顺利排出来，维持孔隙通道中不被水填充。则可以将这个多孔介质层作为试样，采用上述本发明的方法和***提取孔隙特征和流体分布。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的提取多孔材料孔隙特征和流体分布的方法与***并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。
Claims (10)
1.提取多孔材料孔隙特征的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对多孔材料试样进行三维扫描成像和图像预处理，得到包含nx×ny×nz个体素的试样三维图，将体素编号记为ip[i][j][k]，i、j、k分别代表该体素在x、y、z方向的坐标，ip[i][j][k]＝a0时，该体素为固体体素；ip[i][j][k]＝a1时，该体素为孔隙体素；a0≠a1；
步骤2，确定试样的入口面，然后对入口面上体素逐个进行判断，当ip[i][j][k]＝a1时，将该体素编号改为ipB[i][j][k]＝a3，保存至数组B中；确定试样的出口面，然后对出口面上体素逐个进行判断，当ip[i][j][k]＝a1时，将该体素编号改为ipC[i][j][k]＝a4，保存至数组C中；
步骤3，对既不位于入口面，也不位于出口面上的那些内层，由外至内逐层判断孔隙体素的连通性：
将已经被判断和保存至数组B的相邻外层作为入口标准层，将位于入口标准层内侧、与入口标准层相邻、当前待判断的那一层内层记为当前层，将当前层ip[i][j][k]＝a1的孔隙体素逐个与入口标准层进行连通性判断，一旦当前孔隙体素与入口标准层的孔隙体素存在连通关系，就将该当前孔隙体素的编号改为ipB[i][j][k]＝a3，保存至数组B中，进一步判断该当前孔隙体素是否存在同一层内相连通的孔隙体素，若存在则将所有相连通的孔隙体素编号都改为ipB[i][j][k]＝a3，保存至数组B中，然后判断下一个未被判断过连通关系的孔隙体素，直至当前层所有孔隙体素都被判断完，将当前层未被编入数组B中的孔隙体素的编号都改为ipB[i][j][k]＝a2，保存至数组B中，接着将该当前层作为入口标准层，将下一层内层标作为当前层，按照前述方式进行判断，直至所有内层都被判断完；
将已经被判断和保存至数组C的相邻外层作为出口标准层，将位于出口标准层内侧、与出口标准层相邻、当前待判断的那一层内层记为当前层，将当前层ip[i][j][k]＝a1的孔隙体素逐个与出口标准层进行连通性判断，一旦当前孔隙体素与出口标准层的孔隙体素存在连通关系，就将该当前孔隙体素的编号改为ipC[i][j][k]＝a4，保存至数组C中，进一步判断该当前孔隙体素是否存在同一层内相连通的孔隙体素，若存在则将所有相连通的孔隙体素编号都改为ipC[i][j][k]＝a4，保存至数组C中，然后判断下一个未被判断过连通关系的孔隙体素，直至当前层所有孔隙体素都被判断完，将当前层未被编入数组C中的孔隙体素的编号都改为ipC[i][j][k]＝a2，保存至数组C中，接着将该当前层作为出口标准层，将下一层内层标作为当前层，按照前述方式进行判断，直至所有内层都被判断完；a0、a1、a2、a3、a4取值互异；
步骤4，根据数组B和C，对所有孔隙体素的连通性坐标(ipB[i][j][k]，ipC[i][j][k])进行判断：将ipB[i][j][k]＝a3，ipC[i][j][k]＝a4的体素作为连通出口与入口、贯穿整个试样的全连通孔隙体素保存到数组D中；将ipB[i][j][k]与ipC[i][j][k]中一个等于a2另一个等于a4的体素作为仅与出口或者入口相通的半连通孔隙体素保存到数组E中，将ipB[i][j][k]＝ipC[i][j][k]＝a2的体素作为与出口和入口都不相通的封闭孔隙体素保存到数组F中；
步骤5，根据数组D、E、F确定试样的孔隙特征和连通性情况。
2.根据权利要求1所述的提取多孔材料孔隙特征的方法，其特征在于：
其中，在步骤3中，将当前层ip[i][j][k]＝a1的孔隙体素逐个与入口标准层进行入口连通性判断指的是：将当前层的孔隙体素T1逐个与入口标准层中ipB[i][j][k]＝a3、且与T1相邻的每个孔隙体素T3进行判断，如果当前T1与T3存在体素之间共面、共棱或共顶点关系，则判断为当前T1与T3存在连通关系；
将当前层ip[i][j][k]＝a1的孔隙体素逐个与出口标准层进行出口连通性判断指的是：将当前层的孔隙体素T1逐个与出口标准层中ipC[i][j][k]＝a4、且与体素T1相邻的每个孔隙体素T4进行判断，如果当前T1与T4存在体素之间共面、共棱或共顶点关系，则判断为当前T1与T4存在连通关系；
判断当前孔隙体素是否存在同一层内相连通的孔隙体素指的是：在同一层内，判断是否存在与当前孔隙体素共面或共棱或者通过同层内其他孔隙体素间接共面或共棱的孔隙体素。
3.根据权利要求1所述的提取多孔材料孔隙特征的方法，其特征在于：
其中，在步骤5中，按以下公式计算整个试样的孔隙连通度：
式中，c为整个试样的孔隙连通度；nc为数组D中所有体素数目；n为试样包含的所有孔隙体素数目，其值为步骤1中ip[i][j][k]＝a1的体素总数。
4.根据权利要求1所述的提取多孔材料孔隙特征的方法，其特征在于：
其中，在步骤5中，根据数组D、E、F确定试样的孔隙结构和全连通孔隙、半连通孔隙、封闭孔隙的数量、位置、占比、密度，并在三维模型上将全连通孔隙、半连通孔隙、封闭孔隙三种孔隙用不用颜色进行标识。
5.根据权利要求1所述的提取多孔材料孔隙特征的方法，其特征在于：
其中，当试样存在q个入口面，q≥2，为了区分孔隙与不同入口面的关系，在步骤3中，将各入口面采用不同的体素子编号ipB[i][j][k]＝a3t，t＝1～q，并保存至不同的子数组Bt中；
当试样存在q个出口面，q≥2，为了区分孔隙与不同出口面的关系，在步骤3中，将各出口面采用不同的体素子编号ipC[i][j][k]＝a4t，t＝1～q，并保存至不同的子数组Ct中。
6.提取多孔材料流体分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤I，采用权利要求1至5中任意一项所描述的提取多孔材料孔隙特征的方法提取试样孔隙特征，进而得到具有真实孔隙结构的试样三维模型；
步骤II，对模型中连通孔隙结构进行吸液和排液模拟实验，从而获取不同状态下孔隙内液体分布情况：试样的入口面与压力为p的液压相连，在压力p和毛管压力的共同作用下，液体进入连通孔隙；液体只进入那些液压相连且毛细压力绝对值高于p的孔隙；一旦液体达到稳定状态，就逐渐增加压力p；重复前述过程，直到所有连通孔隙被液体填满；在连通孔隙中的液体完全饱和后，通过统计单位时间内试样的流量来计算渗透率，并得到吸液曲线；随后，通过在试样出口面施加压力，将孔隙中的液体压出，与吸液过程中增加压力的过程相同，并用与吸液过程相同的方式得到脱水曲线；在排液过程中，与吸液过程不同的是，只有毛细压力绝对值小于p且与出口液压相连的孔隙中的液体才能被排出；毛管压力按照p'＝p·ε/(σ·cosθ)计算；式中，ε是体素边长；σ是液体的表面张力；θ是液-气-固接触角；
步骤III，根据步骤II获取的液体分布情况，得到连通孔隙结构中的气体分布情况，然后将液体体素编号记为ip[i][j][k]＝a5，将气体体素编号记为ip[i][j][k]＝a6；统计连通孔隙结构中液体体素和气体体素的数量分别记为nV和nL，按以下公式计算试样的液体饱和度s：
步骤IV，判断连通孔隙结构中界面类型：
对于固—液界面：遍历所有ip[i][j][k]＝a5的液体体素，对每个液体体素，判断其每个表面的相邻体素是否为ip[i][j][k]＝a0，若是，则标记该表面为固—液界面；
对于固—气界面：遍历所有ip[i][j][k]＝a6的气体体素，对每个气体体素，判断其每个表面的相邻体素是否为ip[i][j][k]＝a0，若是，则标记该表面为固—气界面；
对于气—液界面：遍历所有ip[i][j][k]＝a5的液体体素，对每个液体体素，判断其每个表面的相邻体素是否为ip[i][j][k]＝a6，若是，则标记该表面为气—液界面；或者遍历所有ip[i][j][k]＝a6的气体体素，对每个气体体素，判断其每个表面的相邻体素是否为ip[i][j][k]＝a5，若是，则标记该表面为气—液界面；
步骤V，将一个面的面积记为1体素边长的平方，对标记为固—气，固—液，气—液界面的面积依次进行求和记为nsv，nsl，nlv，则nsv，nsl，nlv依次为固—气，固—液，气—液界面的界面表面积。
7.根据权利要求1所述的提取多孔材料流体分布的方法，其特征在于，还包括：
步骤VI，基于步骤I得到模型中连通孔隙结构，通过格子玻尔兹曼模拟得到孔隙中流体的密度，将试样三维图中气体体素和液体体素赋值为对应的密度；提取出所有的液体和气体体素，遍历这些体素，使用冒泡法得到液体最大密度和气体最小密度。
8.提取多孔材料孔隙特征和流体分布的***，其特征在于，包括：
多孔材料孔隙特征提取部，采用权利要求1至5中任意一项所描述的提取多孔材料孔隙特征的方法提取试样孔隙特征；
流体分布提取部，采用权利要求6或7所描述的提取多孔材料流体分布的方法提取试样流体分布；
控制部，与所述多孔材料孔隙特征提取部和所述流体分布提取部均通信相连，控制它们的运行。
9.根据权利要求8所述的提取多孔材料孔隙特征和流体分布的***，其特征在于，还包括：
输入显示部，与所述多孔材料孔隙特征提取部、所述流体分布提取部、所述控制部通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。
10.根据权利要求8所述的提取多孔材料孔隙特征和流体分布的***，其特征在于：
其中，所述输入显示部能够根据不同的体素子编号和子数组对孔隙与不同入口面和不同出口面的连通关系用不同颜色、图案进行区别显示，或者仅显示与指定出口面或入口面相连通的孔隙。
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