检索结果-内蒙古大学图书馆

人民长江 2019年第9期50卷 180-186页

作者：李学张鹏宋晶中山大学地球科学与工程学院广东广州510275 中交第四航务工程勘察设计院有限公司广东广州510230 广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室广东广州510275 广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室广东广州510275

饱和细粒土物质组成复杂且结构尺度跨度大,受压后微观结构的变化可反映宏观力学行为。借助室内试验(压汞试验、计算机断层扫描技术)及数值模拟方法(数据约束模型),建立饱和细粒土微观结构三维模型,实现土体物质组分和尺度的初步概化与... 详细信息

饱和细粒土物质组成复杂且结构尺度跨度大,受压后微观结构的变化可反映宏观力学行为。借助室内试验(压汞试验、计算机断层扫描技术)及数值模拟方法(数据约束模型),建立饱和细粒土微观结构三维模型,实现土体物质组分和尺度的初步概化与分类。并尝试从微观结构和微宏观定量联系方面解释固结压力对饱和细粒土微观结构的影响,从而探讨饱和细粒土固结时的微宏观特征,确定固结压力过渡值。目前微纳米级小尺度团聚体的定量信息无法采用其他方法获取,但采用数据约束模型分析方法可以揭示孔隙和矿物团聚体的大小和数量随压力变化的敏感性。固结压力中400kPa是压力过渡值,显示土体固结过程中孔隙收缩速度变慢,矿物团聚速度显著增加。饱和细粒土承受大于400kPa以上的压力后,孔隙和矿物连通体的多尺度组合特征变得稳定。结合土体压缩变形特征,推测饱和细粒土蠕变界限在400kPa左右,对应着土体结构破坏的临界压力。所采用的数据约束模型方法在突破微米级尺度后可实现微纳米尺度分析,可供其他工程材料研究参考。

关键词：饱和细粒土三维微观结构临界压力数据约束模型 μCT试验

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X射线局部显微CT伪全局算法及其应用研究

X射线局部显微CT伪全局算法及其应用研究

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作者：陈文豪中国科学院研究生院（上海应用物理研究所）

学位级别：博士

特定材料的微结构是确定材料特性的关键。目前存在的材料测试方法很多，在这些方法中X射线显微CT(μCT)以其高分辨三维无损成像特点具有独特的优势。μCT被广泛的应用到材料科学中，包括材料的形变、疲劳和断裂，加工处理，腐蚀和环境... 详细信息

特定材料的微结构是确定材料特性的关键。目前存在的材料测试方法很多，在这些方法中X射线显微CT(μCT)以其高分辨三维无损成像特点具有独特的优势。μCT被广泛的应用到材料科学中，包括材料的形变、疲劳和断裂，加工处理，腐蚀和环境相互作用等方面。而第三代同步辐射光源的投入使用进一步推动了μCT的应用。同步辐射光源的高单色性、高通量和高相干性使得基于同步辐射的μCT(SR-μ-CT)具有传统μCT难以比拟的优势。随着材料科学的高速发展，人们对材料的微结构越来越关注，对μCT分辨率的要求也越来越高。现有技术条件下，所能制作的探测器大小有限。在探测器大小一定的情况下，更高的分辨率意味着更小的探测器视场(Field of view，FOV)。传统CT算法的全局特性意味着在μCT中样品要制作得更小。而在某些情况下，由于种种原因(例如样品易碎，制作太小可能会破坏样品内部微结构)，样品不能被制作得很小。由于FOV的限制，μCT分辨率不能很高，导致样品中某些精细结构不能在三维重构图中呈现。局部CT的出现成为解决这个问题的关键，由于算法的局部特性，在局部CT中样品不再受FOV的限制，对于大样品仍然可以得到高分辨率的三维结构。局部CT上述优越性使得在最近几十年，涌现出各种不同的局部CT算法。这些局部算法在一定程度上缓解了人们对局部CT的需求。然而，现有局部算法或为定性的局部算法，或由于各种限制条件，不能广泛的应用到材料研究中。本文针对现有局部算法存在的问题，以实际应用为最终目的，致力于开展定量的局部CT算法研究及其应用，并将其与数据约束模型(data-constrained modeling, DCM)相结合，用于材料定量分析研究，取得了以下几方面的创新性成果： 1.提出了伪全局层析重构算法(pseudo-global tomography)。该算法利用传统滤波反投影算法(Filtered back projection, FBP)滤波函数的快速衰减特性及其丢失投影在重构区域的影响特点，设计了一有效的投影数据采集和预处理方法，很好的消除了由于投影数据截断所造成的伪影。通过对样品中已知材料的标定，该算法可以很好的进行定量局部重构。由于该算法是一种FBP算法，因此可以很好的移植到现有软件和设备上。 2.基于所提出的伪全局层析重构算法，编写了相应的局部CT重构程序。并用该程序对标准样品，煤样和兔腿骨局部投影数据进行了处理。程序用Matlab语言编写，通过该程序可以仅用局部投影数据重构出感兴趣区域(Region of interest，ROI)。 3.将伪全局层析重构算法和DCM相结合对煤样进行了局部定量实验研究，得到煤样成分的三维成分显微分布图。并与基于低倍全局CT的DCM计算结果进行了对比。分析结果表明，基于高分辨局部CT的DCM能够很好的进行样品局部区域三维成分分布的无损定量分析。相比基于低倍全局CT的DCM结果，该新的表征方法能够给出更多的样品局部区域精细结构，并能减少由于样品同一成分的CT重构值为区域分布所造成的孔隙率偏大的影响。材料组分显微结构的三维定量表征将使材料主要特性的预测成为可能，可以预见新表征方法在该领域将有广阔的应用前景。而在能源领域，对于非常规天然气储量的评估和开采等也有极大的应用潜力。 4.将伪全局层析重构算法应用到生物样品：兔腿骨。并和较低分辨率的全局重构进行了对比。结果表明，该局部算法不仅能够很好地对该生物样品的局部区域进行定量局部重构，还充分体现出了局部CT在细节成像方面的巨大优势。这为将该方法推广应用到类似生物样品上提供了研究参考，对于生物医学方面的研究具有重要意义。

关键词：伪全局层析重构算法同步辐射局部CT 数据约束模型

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同步辐射X射线显微CT用于材料定量分析的方法学研究

同步辐射X射线显微CT用于材料定量分析的方法学研究

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作者：王玉丹中国科学院研究生院

学位级别：博士

三维显微结构对了解材料的性能及其应用研究有非常重要的意义。目前存在的材料测试方法很多,常用的一维测量技术有载荷位移,它用于测量样品中的整体变形;常用的二维测量有光学显微镜、扫描电子显微镜和穿透电子显微镜,用于二维测量桥接... 详细信息

三维显微结构对了解材料的性能及其应用研究有非常重要的意义。目前存在的材料测试方法很多,常用的一维测量技术有载荷位移,它用于测量样品中的整体变形;常用的二维测量有光学显微镜、扫描电子显微镜和穿透电子显微镜,用于二维测量桥接裂纹或变形等:三维分析方法有连续切片技术,但该技术的缺点是破坏样品,且容易产生伪影。X射线显微CT(μCT)最早在19世纪80年代初产生,它能以微米级细节分辨无损再现各种构件和材料内部结构和材质的三维形态,在工业检测/材料性能评价和医学研究等方面得到了越来越多的应用。μCT在材料科学中应用非常广泛,其领域包括相空间分布,多空固体,渠道结构,形变、疲劳和断裂,加工处理,腐蚀和坏境相互作用等。第三代同步辐射的迅猛发展把μCT推到了一个新的高度。同步辐射光源具有高单色性、高通量和高相干性等特点,直接决定了同步辐射μCT(SR-μCT)具有普通μCT难以比拟的高分辨率。\n 本文将多能μCT和数据约束模型(DCM)有机结合,用于材料定量分析研究。该方法根据最小化各能量间样品信息相关性的原则选取实验能量,将多组独立实验数据用DCM表征预测得到样品的材料分布,得到结果的可信度及精度更高,且空间分辨率高于CT数据的分辨率。针对某些长样品的μCT实验,将螺旋扫描引入到SR-μCT中,很好的解决了同步辐射光斑高度小于样品长度的问题,实现快速高分辨CT成像。本研究工作致力于在上海光源(SSRF)生物医学成像及工业应用线站(BL13W)开展材料样品的X射线μCT实验并进行定量分析研究,取得了以下几个方面的成果:\n 1,通过数字模拟岩石样品的CT实验、重建及DCM分析整个过程,定量研究各实验参数对预测可信度和抗噪能力等的影响,并进行实验参数优化和可信度评估。在SSRF进行岩石样品的多能μCT实验,通过DCM表征得到样品矿物相的显微结构分布。结果表明,样品中主要成分为方解石和白云石,部分方解石在白云石内形成大小不同的团簇,孔隙则零星的穿插在样品中。该结果有利于碳酸盐岩中的矿物、孔隙、石油和天然气物理特性分布的定量分析。\n 2,用多能μCT结合DCM的方法对腐蚀锌线进行实验研究,得到腐蚀锌线样品的三维成分显微分布图。结果表明,锌和氧化锌的交界面厚度大约为5μm,分为三层:酥松氧化锌层、致密氧化锌层和氧化锌及锌共存层。该结果与海水腐蚀锌板聚焦离子束物理切片的结果吻合,有助于整体腐蚀速率控制的研究。\n 3,系统地开展了样品穿透率定量研究实验。实验结果表明,所测穿透率值与理论估算值相差很大。造成此差异的可能因素包括高次谐波、散射、荧光及点扩散函数/线扩散函数(PSF/LSF)等。经分析发现,PSF/LSF是引起实验穿透率值与理论值差异的主要因素,这在定量成像应用中是非常重要的。在PSF/LSF不可忽视的情况下,应谨慎使用X射线CT重建的线性吸收系数分布。\n 4,在SSRF搭建一套同步辐射螺旋μCT(SRS-μCT)成像的实验装置,并编写重建算法。通过数字模拟,优化各实验参数,并开展SRS-μCT,从实验上验证了模拟结果。研究表明,通过优化各参数,SRS-μCT可以实现快速高质量三维成像,这为它以后的实际应用提供了基础。\n 5,研究提高定量μCT精度的方法,并尝试用μCT区分鼠脑灰质白质。结果表明,从无相位恢复的切片中无法观察到脱水和未脱水鼠脑的内部信息;从相位恢复后的切片中,可以区分脱水鼠脑的灰质白质,但对于未脱水鼠脑,只能观察到海马体和肼胝体,而无法完全区分灰质白质。该部分工作有待进一步研究。

关键词：同步辐射 X射线显微CT 数据约束模型材料定量分析螺旋CT μCT实验

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部分渗透格子玻尔兹曼流动及渗透率模拟计算

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山西大学学报(自然科学版) 2015年第2期38卷 289-297页

作者：李如如杨玉双潘晋孝林缅刘可禹中北大学信息与通信工程学院山西大学理论物理研究所 CSIRO Private Bag 33ClaytonVic 3169Australia 信号探测与处理技术山西重点实验室中国科学院力学研究所 CSIRO Earth Science and Resource Engineering 中国石油勘探开发研究院

致密油储集岩的三维微观结构表征是一个跨越6个以上空间尺度(从纳米到米)的问题,较小尺度可达纳米级。现有的数字岩芯技术,对于该类储集岩的微观结构表征都存在一定的技术限制。因此需要使用数据约束模型(DCM)来对该类样品的微观结构进... 详细信息

致密油储集岩的三维微观结构表征是一个跨越6个以上空间尺度(从纳米到米)的问题,较小尺度可达纳米级。现有的数字岩芯技术,对于该类储集岩的微观结构表征都存在一定的技术限制。因此需要使用数据约束模型(DCM)来对该类样品的微观结构进行表征。该模型可以在CT可解析尺度下预测出每个体素内各组分的体积比例分数,从而获得低于CT可解析尺度的小尺度结构信息。然而现有的格子玻尔兹曼模型难以在由DCM获得的部分孔隙体素中进行流动模拟,所以模拟结果也难以正确反映致密油的渗流特性。针对该问题,在常规的部分反弹格子玻尔兹曼模型中引入了一个定义在体素上的有效渗透系数,使得部分反弹格子玻尔兹曼模型可以对含有部分渗透体素的多孔介质进行流动模拟。文中首先利用数据约束模型(DCM)对砂岩和致密砂岩样品的微观结构进行了表征,得到了各组分在每个体素中的体积比例分数。然后利用得到的体积分数对每个体素的有效渗透系数进行了估计,并利用前面提到的改进模型对各个样品中流体的流动进行了模拟,得到了流体在各个样品中的流动速度分布。最后基于流动速度分布,对各样品的渗透率进行了计算和分析。该方法也适用于其他类型储集岩的流动模拟与分析。

关键词：数据约束模型格子玻尔兹曼模型有效渗透系数渗透率

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煤炭类材料微观结构的CT表征与DCM研究

煤炭类材料微观结构的CT表征与DCM研究

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作者：王海鹏山西大学

学位级别：博士

材料微观结构的三维表征对理解材料的物理化学性质及应用有着重要的意义。在利用CT对材料进行表征的过程中,建立CT图像与材料物理组分的关联是一个重要环节。虽然现有的图像阈值分割法和双能量CT法,在诸多材料的CT表征中得到了成功应用... 详细信息

材料微观结构的三维表征对理解材料的物理化学性质及应用有着重要的意义。在利用CT对材料进行表征的过程中,建立CT图像与材料物理组分的关联是一个重要环节。虽然现有的图像阈值分割法和双能量CT法,在诸多材料的CT表征中得到了成功应用。但是,在当前分辨率水平下,部分体积效应仍然是制约CT技术进一步应用的主要瓶颈。煤炭微观结构的表征不仅有助于理解煤层气在煤炭中的输运过程,而且对理解洁净煤技术和煤燃烧过程中不同组分的转化机理具有重要的意义。尽管国内外学者利用CT技术对煤炭微观结构进行了大量研究,CT技术在煤炭微观结构的表征中仍然存在很多问题。例如,多尺度的结构信息对理解煤炭的物理化学性质有着重要的帮助,然而现有的三维可视化表征手段只能涵盖三个数量级尺度；此外,煤炭组分非常复杂而且包含大量的微小孔隙和矿物颗粒,部分体积效应使得煤炭的组分与CT图像衬度之间的关联异常困难。煤进行液化可以实现煤炭的洁净利用,弥补我国液体燃料的能源紧缺。但是在煤液化过程中产生的大量残渣会对环境造成破坏,而且残渣中仍然包含较多的高热值组分：重油和沥青类物质。掌握残渣组分的赋存方式和空间结构,对回收残渣中有用物质,改进残渣液化工艺具有重要的实际意义。然而残渣的组分比煤更加复杂,尤其是残渣中的重油和沥青类物质与煤基质均为有机物,依靠现有的方法很难在CT图像上对这些组分进行区分。本文立足于CT表征技术中的部分体积效应难题,结合煤炭及煤直接液化残渣结构表征的实际需求,利用多能量同步辐射CT与数据约束模型(DCM)相结合,对煤炭及煤直接液化残渣的微观结构表征进行了方法学研究,主要的研究内容与结果如下：(1)对阳泉无烟煤样品进行了基本性质测试,分析了煤炭样品中不同组分的X射线吸收特性。将煤炭样品组分分为四组,建立了阳泉无烟煤样品的DCM模型。结合多能量同步辐射CT成像,实现了阳泉无烟煤样品微观结构的三维可视化多尺度定量表征,给出了煤炭样品中不同组分的三维分布形式。研究结果表明DCM模型与多能量同步辐射CT的联用可以有效区分煤炭样品中的不同组分,并探测到小于CT分辨率的煤炭组分分布。(2)利用不同分辨率对一阳泉无烟煤样品进行了多个X射线能量的CT成像。用DCM方法对不同分辨率下的煤炭样品CT数据进行了定量研究。通过对比不同分辨率的DCM计算结果,对DCM模型在煤炭样品多尺度结构研究中的精确性进行了定量评估。比较结果在实验上证明了DCM在特定条件下可以有效解决部分体积效应的困扰。基于DCM可以在尽可能不丢失样品微小结构信息的前提下,利用较低的分辨率对较大样品进行结构表征。尽管在较高分辨率下,样品细节可以更为细致地呈现,但是较低的分辨率可以增强样品的统计代表性并具有更高的实验和计算效率。(3)对煤直接液化残渣样品进行了基本性质测试,并分析了样品不同组分的X射线吸收特性。基于残渣样品不同组分的X射线吸收特性,将残渣样品组分进行了分组,建立了样品的DCM模型。基于多能量同步辐射CT与DCM模型对残渣样品CT图像中的不同组分进行了鉴别。研究结果表明基于DCM方法,可将残渣中重油、沥青类物质与未转化的煤基质区分开,实现含钙、铁类元素的矿物组分的图像鉴别。但是残渣中的重油与沥青类物质现阶段仍不能相互区分。本文基于多能量同步辐射CT,利用统计物理模型结合数学中的最优规划方法,为煤炭类材料微观结构多尺度表征提供了一种新的思路。利用我国目前最先进的同步辐射光源,有效避免了成像过程中的线束硬化、实验时间长等因素造成的成像误差。与DCM模型的联用更是在上述材料的结构表征中有效避免了部分体积效应的困扰。同时本文的研究结果对煤层气开采及洁净煤技术等领域的产业发展具有一定的实用价值。

关键词：数据约束模型同步辐射X射线CT 煤炭微观结构煤直接液化残渣

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人造砂岩样品多尺度微观结构表征和流体流动模拟

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山西大学学报(自然科学版) 2023年第6期46卷 1378-1385页

作者：王晋庥王海鹏刘锐穆欣盛李建莉李琨杰杨玉双山西大学理论物理研究所山西大学煤成气储层物性与资源开发研究院山西大学物理电子工程学院山西大学先进功能材料与器件研究院山西华新气体能源研究院有限公司澳大利亚联邦科学与工业研究组织

油气储层砂岩中的微观孔隙结构对其中流体的储集和运移具有重要影响。本文对一人造砂岩样品进行了微焦点X射线CT成像。分别采用最小二乘图像阈值分割法和数据约束模型（Data-constrained modeling, DCM）计算得到了样品组分三维分布。... 详细信息

油气储层砂岩中的微观孔隙结构对其中流体的储集和运移具有重要影响。本文对一人造砂岩样品进行了微焦点X射线CT成像。分别采用最小二乘图像阈值分割法和数据约束模型（Data-constrained modeling, DCM）计算得到了样品组分三维分布。基于两种算法生成的样品微观结构用部分渗透格子玻尔兹曼法模拟了水在样品中的单相流动，分析了样品中孔隙分布与流体流速分布之间的关系。研究结果显示，最小二乘图像阈值分割算法可以有效提取人造砂岩样品中石英颗粒之间的大孔，但是会丢失小于CT分辨率尺度的孔隙信息。DCM模型的计算结果不仅包含了石英颗粒之间的大孔，同时包含了样品中通常与碳酸钙共存的小尺度孔隙。流动模拟的数值结果表明本文所研究样品中小于CT体元尺寸的孔隙对样品渗透率具有显著的贡献，流体进入端面处的孔隙分布对流体流速分布影响较大，流体流速分布与孔隙率分布不成正比。

关键词：数据约束模型 X射线CT成像部分渗透格子玻尔兹曼法

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基于微焦点X射线CT的砂岩孔隙微观结构表征和流体流动模拟

基于微焦点X射线CT的砂岩孔隙微观结构表征和流体流动模拟

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作者：王晋庥山西大学

学位级别：硕士

砂岩作为重要的油气储层,其中不同尺度的孔隙三维分布和流体输运规律对油气储集、运移具有重要影响。基于X射线CT成像技术建立砂岩样品三维孔隙网络结构,并对流体在其中的输运行为进行数值模拟已经成为重要的研究方法。目前主流的CT图... 详细信息

砂岩作为重要的油气储层,其中不同尺度的孔隙三维分布和流体输运规律对油气储集、运移具有重要影响。基于X射线CT成像技术建立砂岩样品三维孔隙网络结构,并对流体在其中的输运行为进行数值模拟已经成为重要的研究方法。目前主流的CT图像阈值分割算法将单一CT体元识别为完全的固体或孔隙,会导致小于CT体元尺寸的结构信息丢失。提高CT成像分辨率会减少这一因素的影响,但是高的CT分辨率所能表征的样品尺寸显著降低,会使得表征区域统计代表性变差。定量获取砂岩储层多尺度孔隙分布并以此为基础发展多尺度渗流方法对理解流体在其中的输运规律具有重要意义。本文首先对一人造砂岩样品进行了微焦点X射线CT成像。分别采用最小二乘图像阈值分割法和数据约束模型（Data-constrained modeling,DCM）计算得到了样品组分三维分布,对比分析了样品同一区域不同分辨率CT图像的DCM计算结果,基于两种算法生成的流场用部分渗透格子玻尔兹曼法模拟了水在样品中的单相流动。研究结果显示,相比最小二乘图像阈值分割算法,DCM计算结果不仅包含了石英颗粒之间的大孔,同时包含了样品中通常与碳酸钙共存的小尺度孔隙。DCM计算出的孔隙率数值结果与氦吸附法相近。DCM模型可以基于较低分辨率的CT图像得到与较高分辨率CT图像相近的总孔隙率数值和多尺度孔隙三维分布结构。以DCM计算结果建立多尺度流场,利用部分渗透格子玻尔兹曼法对水在样品中的单相流进行了数值模拟,结果显示计算所得样品渗透率显著高于阈值分割法所得到的流场的渗透率,小于CT体元尺寸的孔隙对样品渗透率具有显著的贡献。人造砂岩样品中流体流速分布与孔隙率分布不成正比,流体进入端面处的孔隙分布对流体流速分布影响较大。将上述方法拓展到了鄂尔多斯盆地不同地区的三个天然砂岩样品的多尺度结构表征与渗流模拟。通过加置标准铝样与砂岩样品一起成像标定了X射线CT成像等效X射线能量,针对天然砂岩样品组分复杂的问题,根据样品各矿物组分X射线线性吸收系数特征建立了相应的数据约束模型。利用数字地形模型计算了砂岩样品的总孔隙率并据此确定了数据约束模型中的孔隙自我能参数。计算得到了三个砂岩样品的多尺度孔隙结构,建立了样品的多尺度流场。基于部分渗透格子玻尔兹曼法,模拟了水在三个天然砂岩样品中的单相流,得到了流速三维分布。计算了天然砂岩样品的孔隙率分布直方图、孔隙联通团簇三维分布,对比分析了不同样品孔隙三维结构分布与流体流速分布之间的关系。研究结果表明,就单个样品而言,高流速区域通常对应高的孔隙率,样品渗透率与孔隙率之间没有直接关系,三个天然砂岩样品的孔隙率分布、流速分布、渗透率以及孔渗关系呈现出不同特征。本文的研究结果为发展相应的砂岩储层多尺度结构表征和流体输运数值模拟方法提供了新的思路,同时对储层评价、油气储层压裂改造、CO2驱替封存提供了数据基础。

关键词：数据约束模型 X射线CT 部分渗透格子玻尔兹曼法

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基于同步辐射X射线CT的无烟煤样孔隙分布表征

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CT理论与应用研究（中英文） 2021年第6期30卷 691-700页

作者：王润花王海鹏李建莉王晋庥李琨杰 Y.S.Yang 山西大学理论物理研究所太原030006 山西大学物理电子工程学院太原030006 山西大学煤成气储层物性与资源开发研究院太原030006 山西国新气体能源研究院有限公司太原030006 澳大利亚联邦科学与工业研究组织维多利亚州克莱顿3169

本文利用同步辐射X射线对一沁水盆地无烟煤样在24 keV的能量下进行了成像,并重构得到其CT切片。分别采用数字地形模型(DTM)和数据约束模型(DCM)对样品的CT切片进行分析。研究结果表明,对本文所用煤样,DTM计算得到的煤样孔隙率与真密度... 详细信息

本文利用同步辐射X射线对一沁水盆地无烟煤样在24 keV的能量下进行了成像,并重构得到其CT切片。分别采用数字地形模型(DTM)和数据约束模型(DCM)对样品的CT切片进行分析。研究结果表明,对本文所用煤样,DTM计算得到的煤样孔隙率与真密度和视相对密度实验法测得孔隙率较为接近,但利用DTM确定的阈值进行阈值分割提取到的样品孔隙率与DTM计算所得孔隙率之间偏差较大。DCM计算得到的孔隙率与DTM计算得到的孔隙率及实验测试结果均较为接近。DCM模型考虑了样品CT成像过程中的部分体积效应,得到小于CT体元的孔隙分布信息,在一定程度上拓展了CT成像技术的表征尺度。DCM计算结果显示,煤样中孔隙更多与煤基质和矿物组分以部分占据CT体元的形式存在。

关键词：同步辐射CT 数据约束模型数字地形模型煤样孔隙率

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