多孔介质的网络模型构建-宫法明

1、2012年齐鲁大学生软件设计大赛命题多孔介质的网络模型构建（中国石油大学宫法明）一、课题背景简介多孔介质是指内部含有大量空隙（void）的固体，固体骨架遍 及多孔介质所占据的体积空间。多孔介质内部的空隙极其微小。储 集石油和天然气的砂岩地层的空隙直径大多在不足1微米到500微 米之间；毛细血管内径一般为515微米；肺泡-微细支气管系统的 空隙直径一般为200微米左右或更小；植物体内输送水分和糖分的 空隙直径一般不大于40微米。一般多孔介质的空隙都是相通的，也可能是部分连通、部分不 连通的。由于多孔介质本身的不均匀性、随机性和几何拓扑结构的 复杂性，其内部渗透特性、流体传递过程等难以实测。因此，

2、利用 计算机对多孔介质进行微观建模，通过计算获取多孔介质的相关构 造参数具有重要的研究价值。注：本竞赛题目来自目前在研的一项国家科技重大专项课题，是其中的一部分，属 于比较关键的基础研究，选报本题目的参赛选手在锻炼自己的同时，取得的任何一点成 果，都很有可能会为国家做出重要的贡献。二、课题研究的基本思路及环节用计算机对多孔介质进行相关研究的基本思路及环节是：借助工业用微焦点CT系统（目前已在使用纳米测量技术， 数据更丰富，精度更准确），获取一系列能够真实描述多孔介质的 微观空隙结构的CT切片图像；图1所示为其中一张：图1： CT切片图像对每幅CT图像进行分割，找到空隙和固体骨架之间的边 界，从

3、而可以将固体部分剔除，只留下空隙部分所占据的平面区 域；图2所示为分割结果（一个矩形的部分区域）中的一张（黑色 部分为空隙）：图2：分割结果将一系列CT图像中空隙部分所占据的区域叠加在一起，便 构成了整个体积空间中所有空隙构成的一个三维体，从而可以用三 维显示技术将空隙空间显示出来；如图3所示：图3：空隙的三维体数据上述步骤产生的空隙体数据一般数据量较大，影响显示的实 时性，且大量空隙相互遮挡，不利观察，也不利于后续的各种参数 计算，因此需要构建空隙空间的几何模型，通俗的说，就是在空隙 体数据外围包上一层皮（一般是网状的，如四边形网格或三角网 格），对这个“皮”进行材质、光照等设置之后显示出来

4、，效果就有 了较真实的展示。如图4所示：图4：空隙空间的几何模型（左）及使用的三角网格（右）在第步生成的数据体的基础上，采用合适的算法（如燃烧 算法）提取空隙空间的中轴。如图5所示：图5：空隙空间的中轴第步提取的中轴反映了空隙空间中连通性的拓扑结构，结 合体数据及提取的中轴，识别出整个空隙空间中所有的孔隙（注 意：不是空隙，而是孔隙，所谓孔隙，是指在局部相对较大的空隙 空间）和喉道（孔隙与孔隙之间相互连接的相对细窄的空隙空 间），这一步骤称为孔喉分割。建立空隙空间的网络模型。用球体代表孔隙（球体的半径反 映了孔隙的大小），用圆柱体代表喉道（圆柱体的截面半径代表了 喉道最细处的截面大小），根据中

5、轴反映的拓扑连接关系，用圆柱 体将代表孔隙的这些球体连接起来，就形成了空隙空间的网络模 型。如图6所示：图6：空隙空间的网络模型在获得了空隙空间的几何构造、连接拓扑并进行了孔喉分割 后，即可计算相关参数，比如空隙的表面积，空隙与固体骨架的体 积比等，至于需要计算什么样的参数，可由参赛选手通过查找相关 文献自主确定。三、研究方法本课题属于方法研究类课题，最终作品不对用户界面做过多要 求，甚至可以采用字符界面，重点应放在每个环节的算法思路及输 入输出数据的格式设计与处理上。“二”中给出的各个环节存在着 一些依赖关系，即A环节需要用到B环节产生的数据作为输入，A 产生的结果数据又可能作为另一环节C的

6、输入。在上述7个环节 中，依赖，依赖，依赖，依赖和，依赖， 团队在分工和课题实施过程上要充分考虑到这些环节之间的依赖关 系，做好人员分配及各环节的实施进度安排。每个环节都需要设计算法来实现数据的处理，这些算法都具有 相当的难度，一般说来，有两种途径来获得算法思路，一是自己独 立设计，按照已有数据及要实现的目标，设计出可行的算法并加以 实施和验证；二是查阅科技文献（大多是一些英文文献，由于这些 算法具有较大难度，国内起步又较晚，所以中文文献很少），借鉴 前人的思路及经验来实现这些算法，我个人认为，两种途径没有优 劣之分，各有各的优势，后者是站在巨人的肩膀上，得到的启发会 比较多，但同时思路也被限

7、制到了前人的框架中了；前者难度虽然 较大，可能绞尽脑汁也想不出来，但一旦有了可行的思路，那很可 能会产生一种前人没有做过的途径，给这些难题的解决带来新的生 机。四、评审依据大赛组委会或命题教师为各参赛团队提供统一的CT切片图 像数据，为了客观公正的对比各团队作品的质量，私自采用其他图 像数据是不允许的。在每个环节算法基本正确的前提下，优先考虑实现互这7 个环节的数量，若实现数量相同，再反过来一一评判每个环节算法 质量（包括准确度及执行效率）。每个环节的算法都具有一定的难度，有了思路，在实现过程 中会遇到大量的这样那样的问题，可能会导致最终不能运行，因 此，要求各团队针对（有了思路的）每个环节的算法，要提交一篇 技术论文，详细介绍并论证其算法的思路、原理、可行性、存在（或可能存在）的问题或劣势等，格式可参考正规的科技文献书写 格式。每个算法的论文奖作为评审的重要依据，因此，最终某个环 节的作品没有完成或不能运行，并不意味着失分。界面不作