中文題目：使用太赫茲光譜識別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/會議：Colloids and Surfaces A- Physicochemical and Engineering Aspects (中科院大類2區，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/見刊時間：2024年5月22日

作者列表：

1）劉學聰 中國石油大學（北京）人工智能學院 控制科學與工程專業 博22

2）宋   艷 北京航天計量測量技術研究院技術員

3）黃丹陽 中國石油大學（北京）新能源與材料學院材料科學與工程專業 碩22

4）趙 昆 中國石油大學（北京）新能源與材料學院材料科學與工程系教師

5）苗昕揚 中國石油大學（北京）新能源與材料學院材料科學與工程系教師

6）詹洪磊 中國石油大學（北京）新能源與材料學院材料科學與工程系教師

摘要:

本文基于太赫茲時域光譜（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峰強度對微通道中煤油-水兩相流的流動過程進行原位監測的過程中，我們發現，當水相表觀速度固定時，THz-TDS的結果在不同的油相表觀速度范圍內被分為液滴流、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域越寬。

背景與動機:

非常規油氣儲層致密、結構復雜、滲透性差、多為結構復雜的微納米孔隙，其特征尺寸基本覆蓋了微尺度的全部。這類儲層中油、氣、水的流動多為非達西流，其運移方式、滲流機理等方面均不同于常規油氣資源，清楚認識微納米孔隙中流體的運動規律是實現非常規油氣資源有效開發的理論基礎，也是提高石油采收率并優化開采過程的基礎。然而受各種因素的限制，其流動機理尚未研究清楚，了解該過程對于油氣資源的經濟開發具有重要的意義。

極性分子中由氫鍵組成的網絡結構對太赫茲波產生強烈的吸收作用，非極性分子對太赫茲波的響應體現的主要是分子間的集體振動模式，對太赫茲波的吸收相對較小，因而根據物質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。太赫茲波不僅可以對流體進行成像分析，還能夠提供流體的物理化學信息乃至分子動力學過程或量子互作用過程等重要信息。這使得太赫茲光譜技術在微流體傳感甚至是微納米孔隙中油氣流動動力學研究方面存在一定的應用潛力。因此，我們探索性地將太赫茲光譜技術應用于微流體流動參數的分析中，對微通道內油水兩相流的流型進行了表征。

設計與實現:

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開展實驗，根據兩相流的太赫茲光譜參數分析其相應流動條件下的流型。兩通道通過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，并附著兩個采樣孔來進行壓力數據的采集。

圖1 （a）實驗裝置示意圖；（b）測試流程圖

實驗結果及分析:

如圖2所示，以開始注入油相的時刻為零點，對油水兩相流進行連續的掃描以捕獲不同時刻兩相流的太赫茲光譜參數。隨著時間的推移，在不同流動條件下得到的時域峰值信號的變化規律出現了類似變化趨勢，整個過程可分為快速增長和穩定兩個階段。

圖2 兩相流流型發展過程的太赫茲光譜監測

受流體性質、微通道材料、通道幾何尺寸以及注入段等因素的影響，微通道內液-液兩相流的流型與宏觀尺度通道內的流型有很大的不同。圖3為水和煤油與不同材質的接觸角圖片，結果表明，分散水相和煤油的連續相均會發生在煤油的表觀速度（v_k）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為水相表觀速度（v_w）為13.96 cm/s時，改變煤油的表觀速度時在微通道中部采樣得到的穩定流動狀態的油水兩相流的太赫茲時域波形和相關參數。受油相速度的影響，油水兩相在微通道內的相分布產生了變化，太赫茲光譜信號參數的上下波動反映了不同的流型轉變。

圖4 不同油流量下透過油水兩相流的太赫茲脈沖信號

圖5 （a）t_p、（b）E_p與油流量之間的關系

圖6和圖7展示了在固定煤油的表觀速度的情況下，改變水相流速的實驗結果。E_p的結果表明，該情況下僅出現了液滴流、塞流、段塞流三個階段，兩相流的流型模式強烈依賴于煤油的流速。因此，可以通過參數β=k/v_w建立流型和THz-TDS測試結果之間依賴關系。

圖6 E_p和水相流速之間的關系

圖7 參數β和水相流速之間的函數關系

結論:

利用太赫茲光學參數的變化規律實現了Y形矩形微通道油水兩相流流型的識別。結果表明，在較寬的煤油流速范圍內流型包括：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。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增加，液滴流和塞流的區域增大。為避免在實際測試中出現一個值對應多個相的情況，設置了參數β來表征煤油-水兩相流模式，最終為微通道中油水兩相流系統的行為提供了一種快速、原位的評價方法。

作者簡介:

劉學聰，博士研究生，研究方向為油氣光學探測技術。在Chem. Eng. J、IEEE Sens. J、IEEE Trans. Instrum. Meas等期刊發表論文19篇，其中第一作者SCI論文9篇。獲第十三屆王濤英才獎學金、2024年中國儀器儀表學會二等獎學金、2023年中國儀器儀表學會學術年會優秀學術成果等獎項。

通訊作者簡介:

趙昆，教授，博士生導師，研究方向為油氣光學探測技術與智能制造。