一种基于核磁共振成像测量多孔介质内对流混合过程速度场的方法 |
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| 申请号 | CN201610421313.3 | 申请日 | 2016-06-14 | 公开(公告)号 | CN106124798A | 公开(公告)日 | 2016-11-16 |
| 申请人 | 大连理工大学; | 发明人 | 宋永臣; 滕莹; 刘瑜; 蒋兰兰; 吕鹏飞; 武博浩; 陆国欢; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种基于核 磁共振成像 测量多孔介质内 对流 混合过程速度场的方法，属于对流混合过程速度场测量技术领域。其操作步骤为：首先对多孔介质内填充两种不同 密度 的溶液进行上下分层饱和，将饱和两种不同密度溶液的填砂管倒置后迅速置入核磁 探头 内，采用加入 相位 编码梯度脉冲的自选回波序列方法得到 流体 的质子密度图像并转换为相位图像，与同一脉冲梯度下静止状态相位图做差，得到相位迁移图像，运用相位法测量得到多孔介质对流混合过程速度场。该方法实现了对流混合要求的非常规的流体分布情况；该方法应用 核磁共振 成像技术，以非 接触 、非干涉手段对对流混合过程的速度场进行 可视化 观测，不会对流体流动产生扰动。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于核磁共振成像测量多孔介质内对流混合过程速度场的方法，其特征在于步骤如下: |
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| 说明书全文 | 一种基于核磁共振成像测量多孔介质内对流混合过程速度场的方法 技术领域背景技术[0002] 流体界面的动力学演化过程是流体动力学研究的重要方面。流体相界面稳定性研究在基础科学研究及工业生产过程中都发挥了关键作用。我们关注在重力场中由于上层流体密度大于下层流体，两相流体界面处上层的大密度流体在重力作用下向下迁移，同时界面处下层的小密度流体向上运动，导致垂直方向上的对流过程，这一现象称为“对流混合”。对流混合过程经常发生在海冰冻结过程，二氧化碳地质封存过程，地下水污染过程等。 [0003] 核磁共振成像(MRI)技术是一种新的可视化方法，应用在化学工程，波谱研究，医学成像等。MRI可以对含有氢质子流体进行成像，并且测量对多孔介质内部流体流动具有独特的技术优势。相比于其他速度场测量技术，如激光多普勒测速等，MRI可以得流动过程速度场并且成像时间短分辨率高，可以透过非透明容器外部测量容器内部流场。 [0004] 对流混合过程的发生需要上层流体密度大于下层流体，这种非常规的流体分布条件使得实验室内开展实验困难。对于对流混合过程的速度场测量，现有方法存在干涉流体流动或者只能获得点速度的局限性。就数值模拟方面，处理过程复杂繁琐，需要设置复杂边界条件并进行大规模的网格计算。因此，非干涉流体速度场测量具有非常重要的工程意义。 发明内容[0005] 本发明为解决现有技术针对多孔介质内对流混合过程难以开展速度场测量的问题，提供了一种基于核磁共振成像测量多孔介质内对流混合过程速度场的方法。适用于对流混合过程流体相界面稳定性的后续性研究。 [0006] 一种基于核磁共振成像测量多孔介质内对流混合过程速度场的方法，具体技术方案如下： [0008] 第二步，将填砂管上下倒置，开始对流混合过程，使用加入相位编码梯度脉冲的自旋回波序列方法，测量对流混合过程中与第一步中相同的断面位置处的质子密度图像； [0009] 第三步，将第一步得到的静止态质子密度图像转换为静止态相位图像，将第二步得到的质子密度图像转换为对流混合过程相位图像； [0010] 第四步，用第三步得到的对流混合过程相位图像减去静止态相位图像，得到相位迁移图像； [0011] 第五步，对第四步得到的相位迁移图像，运用相位法测量，最终通过公式(1)得到对流混合过程速度场 [0012] [0013] 为t时刻对流混合过程速度场，ΦV为相位迁移图像，是第一步所加梯度脉冲的强度，Δ是梯度脉冲间隔时间，t是梯度脉冲持续时间，γ是磁旋比。 [0014] 相位法测量对流混合过程速度场原理如下： [0016] [0018] [0019] 其中B0为主磁场强度。公式(3)中 是主磁场导致的拉莫尔频率下的进动相位，可以通过检波接收器中去除。 是附加梯度脉冲引起的相位变化。经过傅立叶转换后，核磁子所在位置变为相位空间 质子密度可以用以下形式表示： [0020] [0021] 在对流混合过程中做直线运动的含氢质子流体的位移公式可离散为： [0022] [0023] 为初始坐标， 为加速度。 [0024] 将公式(5)带入相位公式(3)，可以得到： [0025] [0026] 其中Φ0为0时刻的初始相位； [0027] 令 表示公式(6)中第i项，则公式(6)简化为： [0028] [0029] 加入相位编码梯度脉冲的自旋回波序列，添加一对强度相同方向相反的双极磁场梯度(-G,G)， 在时域的积分面积为0，则积分项 等于0，由于对流混合过程速度变化缓慢， 忽略高阶项的影响，则公式(7)简化为： [0030] [0031] 公式(8)反应的是相位变化与速度存在线性关系，可以通过标定得到相位与流速关系。通过相位迁移图像 与静止态图像ΦV＝Φ0做差可以除去非速度因素引起的Φ0变化，最终在磁场中流动的流体的速度与相位迁移之间的关系改写为 其中 指速度编码初始时刻的梯度，得到t时刻对流混合过程速度场 即 [0032] [0033] 因此 与 成线性关系。 [0034] 本发明的有益效果是：该方法实现了对流混合要求的非常规的流体分布情况；该方法应用核磁共振成像技术，以非接触、非干涉手段对对流混合过程的速度场进行可视化观测，不会对流体流动产生扰动，通过定量分析后得到对流混合过程的速度场。附图说明 [0035] 图1是本发明的上下分层饱和多孔介质的两种不同密度流体的填砂管及对流混合速度场测量系统结构示意图。 [0036] 图2是多孔介质内对流混合过程速度场图像。 具体实施方式[0037] 下面结合附图并用具体实施例对本发明作详细说明： [0038] 水/重水两种不同密度流体在多孔介质中对流混合过程速度场测量方法，其操作步骤如下： [0039] 1)饱和多孔介质，将装有多孔介质的填砂管浸没于染色(便于观察界面位置)水溶液中，置入真空室中抽真空，保证水溶液完全饱和多孔介质。将完全饱和水溶液的填砂管从真空室中取出，用注射泵从填砂管下端缓慢注入大密度重水溶液，保证两种流体界面稳定，大密度重水溶液从填砂管下端注入直到界面达到指定位置后停止，如图1所示。 [0040] 2)将上层饱和水下层饱和重水的多孔介质的填砂管置入核磁共振成像系统中，使用加入相位编码梯度脉冲的自旋回波序列方法对填砂管两相流体界面位置的静止态氢质子密度图像进行测量； [0041] 3)将填砂管从核磁共振成像系统中取出，并上下倒置(上层为饱和重水下层为饱和水)，再次小心移动到核磁共振成像系统中，开始对流混合过程，采用加入相位编码梯度脉冲的自选回波序列方法，测量两相流体界面位置处对流混合过程的氢质子密度图像。 [0042] 4)将静止态氢质子密度图像转换为静止态相位图像，将对流混合过程的氢质子密度图像转换为对流混合过程相位图像； [0043] 5)用对流混合过程相位图像减去静止态相位图像，得到相位迁移图像。 [0044] 6)对相位迁移图像，运用相位法测量得到水/重水两种不同密度流体在多孔介质中对流混合过程速度场，如图2所示。 |
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