庞润芳　石莹莹　郑坤灿　任雁秋　潘刚　龚志军

摘要：多孔介质结构特征研究是多孔介质应用的基础，决定着多孔介质内部流动、传热、应力应变和化学反应等过程。文章以碎石地面为例，说明IPP（Image-Pro Plus）软件分析获得多孔介质各种结构特征参数的使用方法。利用该软件提取了土壤、沙粒、石堆的颗粒和空隙的平均直径及各种分维数，分析对比得到了相关规律，为进一步深入研究广泛的多孔介质结构特征及规律提供了方法和指导。

关键词：lPP6.0软件；多孔介质；图像处理；孔结构特征

中图分类号：TB383；TP391.4

文献标志码：A

文章编号：1006-8228（2017）01-09-03

0.引言

多孔介质在化工、冶金、建材、石油开采、核反应堆和航空航天都有着广泛应用，显然，在应用中多孔介质结构是基础，它决定着多孔介质内部流动、传热和化学反应。目前多孔介质结构模型主要包括空间周期模型、网络模型、分形模型和重构模型等，而在渗流、传热传质方面应用较多的孔尺度模型主要有两类：一类是以管内流动为特征的模型，它包括毛细串并联管流模型、毛细管网络模型、毛细管随机网络模型、平均水力半径模型和统计模型等；另一类是以浸没物体绕流为特征的周期结构模型。不过这些模型往往只抓住了多孔介质某一方面的结构特征，而且还没有明确的定量化，因而导致许多应用受到较大的限制。因此，本文借助IPP（Image-Pro Plus）软件对多孔介质结构特征进行初步研究，寻找一种多孔介质结构特征定量化的研究方法，便于下一步在对大量多孔介质结构特征参数进行统计分析的基础上，对多孔介质特征进行分类和鉴定，从而为多孔介质内部传输和反应过程的建模提供指导。

1.图像采样及预处理

为了研究多孔介质结构特征，我们选取了日常生活中常见的多孔介质如沙子、土壤、石堆、碎石地面等。照片用柯达Z7590数码相机拍摄，采用自动对焦，真实像素500万。文中图样均采用自然光拍摄，拍时选取合适的时间和角度，保证拍摄照片的光照均匀，图样示例如图1所示。

在拍摄完照片之后，筛选出孔隙和颗粒对比明显的图像。利用IPP进行测量时，可选取黑色部分作为孔隙，其他颜色作为颗粒。为了尽可能地选中全部颗粒且便于处理，先利用图像编辑软件光影魔术手，将图1所示的彩色图片转成灰度图。

2.IPP软件对图片的处理

Image-Pro Plus简称IPP，是Media Cybernetics公司研发的一款专业的图像分析软件。IPP在图像采集和分析方面的功能先进，可用于工业、医学、生物学等专业图像分析处理。支持图像采集、图像增强、图像处理、图像分析测量、宏记录、宏编程等。

通过IPP软件导入要分析的图像（本文选取的是碎石地板图像），选取多孔介质孔隙为测量区域，这需要根据灰度阈值人工识别所选区域是否为测量区域。然后即可对所选区域进行参数测量，IPP软件能够对图形几十种上百种参数进行分析，本文选取了多孔介质孔隙结构的主要参数如孔隙面积、平均直径、最大最小孔径、迂曲度分维数、孔半径比等进行提取。最后将不同多孔介质的这些数据导出分析，以便获得这些多孔介质的结构特征和规律。

3.数据处理及分析

按照上述方法和步骤，还可以获得土壤、沙子和碎石等多种结构特征参数，下面以空隙迂曲分维数为例来分析。IPP软件提供了获取单个空隙的迂曲分维数的功能，图2所示是最终得到的沙子、土壤和碎石等单孔迂曲分维数。从图2可以看出，每一种多孔介质的迂曲维数都随着空隙面积大小不同而不同，并不是严格的常数，然而这些不同的数却在某一个数值上下波动，因而统计上接近于常数，说明这几类常见的自然多孔介质具有统计意义上的自相似性。另外仔细分析还可以发现：土壤迂曲分维数多在1.05-1.35之间，总趋势随面积没有什么变化。而沙粒和碎石的迂曲分维数范围分别为1.05-1.45和1.05-1.35，总趋势都可以分为两段，前段平稳不变，后段线性增加。

表1-表3是本文对更多沙粒、土壤和碎石样品进行分析，得到其颗粒和空隙的平均直径、半径比、迂曲分维数等的平均值。可以看出，颗粒平均直径均大于空隙平均直径，多数约大1倍；土壤颗粒迂曲分维数在1.1552-1.2177，空隙迂曲分维数在1.1851-1.2227，沙粒颗粒分维数在1.1571-1.2335，空隙分维数在1.1886-1.2263，碎石颗粒分维数在1.1339-1.1679，空隙分维数在1.1418-1.1892，同种多孔介质颗粒和空隙分維数的差异源于颗粒和空隙在选取时的差异；土壤和沙粒的分维数较为接近，可能说明二者在自然界有较为一致的演化，而碎石分维数明显要小一些，说明碎石颗粒空隙的复杂程度不及土壤和沙粒。

4.结论

文中对利用IPP软件分析多孔介质结构特征的方法和步骤进行了说明，对生活中常见多孔介质的结构特征参数进行了分析对比。得到以下结果。

（1）沙子、土壤和碎石迂曲分维数随面积变化，不等于常数，但基本围绕某一值上下波动，说明其轮廓符合统计意义上的分维特征。

（2）沙子、土壤和碎石的颗粒平均直径均大于空隙平均直径，多数情况下约大1倍。

（3）土壤颗粒迂曲分维数在1.1552-1.2177，空隙迂曲分维数在1.1851-1.2227，沙粒颗粒分维数在1.1571-1.2335，空隙分维数在1.1886-1.2263，碎石颗粒分维数在1.1339-1.1679，空隙分维数在1.1418-1.1892，土壤和沙粒的分维数比碎石分维数具有更复杂的结构。