中文题目：使用太赫兹光谱识别Y型微通道中的油水两相流模式

论文题目：Pattern identification of kerosene-water two-phase flow in Y-shaped microchannels using terahertz spectroscopy

录用期刊/会议：Colloids and Surfaces A- Physicochemical and Engineering Aspects (中科院大类2区，JCR Q2)

原文DOI：https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2024.133754

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927775724006150

录用/见刊时间：2024年5月22日

作者列表：

1）刘学聪 中国石油大学（北京）人工智能学院 控制科学与工程专业 博22

2）宋   艳 北京航天计量测量技术研究院技术员

3）黄丹阳 中国石油大学（北京）新能源与材料学院材料科学与工程专业 硕22

4）赵 昆 中国石油大学（北京）新能源与材料学院材料科学与工程系教师

5）苗昕扬 中国石油大学（北京）新能源与材料学院材料科学与工程系教师

6）詹洪磊 中国石油大学（北京）新能源与材料学院材料科学与工程系教师

摘要:

本文基于太赫兹时域光谱（THz-TDS）研究了Y型微通道中煤油-水两相流的行为。在利用THz-TDS峰强度对微通道中煤油-水两相流的流动过程进行原位监测的过程中，我们发现，当水相表观速度固定时，THz-TDS的结果在不同的油相表观速度范围内被分为液滴流、塞流、段塞流和界面变形流四种流型。随着水相流量的增大，液滴流和塞流流型的区域越宽。

背景与动机:

非常规油气储层致密、结构复杂、渗透性差、多为结构复杂的微纳米孔隙，其特征尺寸基本覆盖了微尺度的全部。这类储层中油、气、水的流动多为非达西流，其运移方式、渗流机理等方面均不同于常规油气资源，清楚认识微纳米孔隙中流体的运动规律是实现非常规油气资源有效开发的理论基础，也是提高石油采收率并优化开采过程的基础。然而受各种因素的限制，其流动机理尚未研究清楚，了解该过程对于油气资源的经济开发具有重要的意义。

极性分子中由氢键组成的网络结构对太赫兹波产生强烈的吸收作用，非极性分子对太赫兹波的响应体现的主要是分子间的集体振动模式，对太赫兹波的吸收相对较小，因而根据物质分子在太赫兹波段的特征指纹谱，能够灵敏地鉴别不同的物质。太赫兹波不仅可以对流体进行成像分析，还能够提供流体的物理化学信息乃至分子动力学过程或量子互作用过程等重要信息。这使得太赫兹光谱技术在微流体传感甚至是微纳米孔隙中油气流动动力学研究方面存在一定的应用潜力。因此，我们探索性地将太赫兹光谱技术应用于微流体流动参数的分析中，对微通道内油水两相流的流型进行了表征。

设计与实现:

如图1所示，本文利用透射式THz-TDS和微通道油水两相流系统开展实验，根据两相流的太赫兹光谱参数分析其相应流动条件下的流型。两通道通过注射泵精确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为基片，石英片为盖片，并附着两个采样孔来进行压力数据的采集。

图1 （a）实验装置示意图；（b）测试流程图

实验结果及分析:

如图2所示，以开始注入油相的时刻为零点，对油水两相流进行连续的扫描以捕获不同时刻两相流的太赫兹光谱参数。随着时间的推移，在不同流动条件下得到的时域峰值信号的变化规律出现了类似变化趋势，整个过程可分为快速增长和稳定两个阶段。

图2 两相流流型发展过程的太赫兹光谱监测

受流体性质、微通道材料、通道几何尺寸以及注入段等因素的影响，微通道内液-液两相流的流型与宏观尺度通道内的流型有很大的不同。图3为水和煤油与不同材质的接触角图片，结果表明，分散水相和煤油的连续相均会发生在煤油的表观速度（v_k）高的情况下。

图3（a）水和（b）煤油和PTFE的接触角；（c）水和（d）煤油与石英的接触角

图4和图5为水相表观速度（v_w）为13.96 cm/s时，改变煤油的表观速度时在微通道中部采样得到的稳定流动状态的油水两相流的太赫兹时域波形和相关参数。受油相速度的影响，油水两相在微通道内的相分布产生了变化，太赫兹光谱信号参数的上下波动反映了不同的流型转变。

图4 不同油流量下透过油水两相流的太赫兹脉冲信号

图5 （a）t_p、（b）E_p与油流量之间的关系

图6和图7展示了在固定煤油的表观速度的情况下，改变水相流速的实验结果。E_p的结果表明，该情况下仅出现了液滴流、塞流、段塞流三个阶段，两相流的流型模式强烈依赖于煤油的流速。因此，可以通过参数β=k/v_w建立流型和THz-TDS测试结果之间依赖关系。

图6 E_p和水相流速之间的关系

图7 参数β和水相流速之间的函数关系

结论:

利用太赫兹光学参数的变化规律实现了Y形矩形微通道油水两相流流型的识别。结果表明，在较宽的煤油流速范围内流型包括：液滴流、塞流、段塞流和界面变形流。此外，太赫兹脉冲的幅度与水相流速度密切相关。在27.71 cm/s的高水相流速下，流型仅包括液滴流、塞流和段塞流三种流型，且随着水相流速的持续增加，液滴流和塞流的区域增大。为避免在实际测试中出现一个值对应多个相的情况，设置了参数β来表征煤油-水两相流模式，最终为微通道中油水两相流系统的行为提供了一种快速、原位的评价方法。

作者简介:

刘学聪，博士研究生，研究方向为油气光学探测技术。在Chem. Eng. J、IEEE Sens. J、IEEE Trans. Instrum. Meas等期刊发表论文19篇，其中第一作者SCI论文9篇。获第十三届王涛英才奖学金、2024年中国仪器仪表学会二等奖学金、2023年中国仪器仪表学会学术年会优秀学术成果等奖项。

通讯作者简介:

赵昆，教授，博士生导师，研究方向为油气光学探测技术与智能制造。