·276· 工程科学学报，第37卷，第3期 堆及提高浸出效果具有重要意义，对渗流学科发展和 的一种方法，是一种既能显示矿堆内部结构，又能提供 解决堆浸工程应用问题也具有重要价值. 溶液流动方向、速度、流量等流动力学信息的技术.相 近年来，国内外的研究多将矿堆视为“黑箱”处 位编码采用双极梯度场对流动进行编码，即在射频脉 理，土力学、水文地质学和化学的一些基本原理和方 冲激发后，于层面选择梯度和读出梯度之间施加两个 法，局限于对矿石颗粒性质与渗透率、渗透效果之间的 大小、持续时间完全相同，但方向相反的梯度场.当应 关系研究四.对溶浸矿堆内流体渗流的研究主要借助 用第一梯度场时，静止和运动组织的质子都开始累积 于计算流体动力学方法，采用数值模拟研究5刀，鲜有 相位变化.随即应用第二个梯度场，静止组织自旋质 通过实验测量的手段分析系统内渗流场分布情况.其 子回绕并失相位，相位变化为零：而流动自旋质子由于 主要原因是，溶浸液在矿堆内的渗流速度的测量不同 位置发生了移动，即使遇到两个大小和持续时间相同 于传统的温度、溶氧、电位等参数测试，若在流场内布 但方向相反的梯度场，其相位变化也不可能回到零，故 置传感器，将影响流场的分布，无法进行无损测量.所 流动质子群的相位变化得到保留，与静止组织存在相 以，采用常规手段必然无法了解浸堆内部发生的复杂 位差别，利用这种差别即形成相位对比.流动质子群 过程和相关规律.核磁共振成像(magnetic resonance 的相位变化与流速呈线性关系，流速越快，相位变化越 imaging,MRI)作为一种无损伤探测技术，已广泛应用 明显： 于化学工程研究领域，如催化剂、物质运移和流体力 △Φ=r·△m·. (1) 学网，其探测具有无扰动、非接触、无损伤等特点，可揭 式中，△中为相位差，r为磁旋比，△m可简单表示为梯 示传统测试技术无法观测到的流动溶液渗流特性. 度场面积与施加双极梯度场的时间间隔的乘积，为 Sederman和Sankey等p-o分别利用核磁共振成像技 频率.通过对速度编码梯度场的调整，观察流动质子 术探测了单管内液体流动、气液两相流在均匀多孔介 的相位变化，可检测出流动质子的运动方向、流速、流 质内的流动.Fagan等1-四利用核磁共振成像技术对 量等信息切. 柱浸过程进行了探索性成像实验.本文把核磁共振成 2实验 像技术引入到柱浸实验中，使得非接触、无损地探测并 研究堆浸散体介质中的溶液渗流特性与演化规律成为 2.1实验装置 可能 实验装置主要由柱浸系统、夹持稳固装置和核磁 共振成像系统三部分组成.柱浸系统主体为自制有机 1相位对比法测速原理 玻璃柱，高220mm,内径60mm,底部有均匀圆孔筛板， 相位对比磁共振成像测速是利用流动所致的宏观 上端和末端均连接流量控制开关，下端连接流量计 横向磁化矢量的相位变化来抑制背景、突出流动信号 如图1所示 缓冲酥石 成像截面 散体介质 筛板 _60mm 图1核磁共振扫描装置 Fig.I Nuclear magnetic resonance scanner 核磁共振成像探测设备为美国通用电气医疗系统 (TE)为40ms/6.84ms,片层厚度4mm,片层方向为垂 Discovery MR7503.0T,见图1.实验时所有获得的图 直流动方向. 像参数为：切片厚度为4mm,缺口0.4mm,视野为15 2.2实验材料 cm×15cm,翻转角20°，重复时间(TR)/回波时间 核磁共振测速实验中实验材料对成像效果影响较工程科学学报，第 37 卷，第 3 期 堆及提高浸出效果具有重要意义，对渗流学科发展和 解决堆浸工程应用问题也具有重要价值． 近年来，国内外的研究多将矿堆视为“黑箱”处 理，土力学、水文地质学和化学的一些基本原理和方 法，局限于对矿石颗粒性质与渗透率、渗透效果之间的 关系研究［4］． 对溶浸矿堆内流体渗流的研究主要借助 于计算流体动力学方法，采用数值模拟研究［5 － 7］，鲜有 通过实验测量的手段分析系统内渗流场分布情况． 其 主要原因是，溶浸液在矿堆内的渗流速度的测量不同 于传统的温度、溶氧、电位等参数测试，若在流场内布 置传感器，将影响流场的分布，无法进行无损测量． 所 以，采用常规手段必然无法了解浸堆内部发生的复杂 过程和相关规律． 核磁共振成像( magnetic resonance imaging，MＲI) 作为一种无损伤探测技术，已广泛应用 于化学工程研究领域，如催化剂、物质运移和流体力 学［8］，其探测具有无扰动、非接触、无损伤等特点，可揭 示传统测试技术无法观测到的流动溶液渗流特性． Sederman 和 Sankey 等［9 － 10］分别利用核磁共振成像技 术探测了单管内液体流动、气液两相流在均匀多孔介 质内的流动． Fagan 等［11 － 12］利用核磁共振成像技术对 柱浸过程进行了探索性成像实验． 本文把核磁共振成 像技术引入到柱浸实验中，使得非接触、无损地探测并 研究堆浸散体介质中的溶液渗流特性与演化规律成为 可能． 1 相位对比法测速原理 相位对比磁共振成像测速是利用流动所致的宏观 横向磁化矢量的相位变化来抑制背景、突出流动信号 的一种方法，是一种既能显示矿堆内部结构，又能提供 溶液流动方向、速度、流量等流动力学信息的技术． 相 位编码采用双极梯度场对流动进行编码，即在射频脉 冲激发后，于层面选择梯度和读出梯度之间施加两个 大小、持续时间完全相同，但方向相反的梯度场． 当应 用第一梯度场时，静止和运动组织的质子都开始累积 相位变化． 随即应用第二个梯度场，静止组织自旋质 子回绕并失相位，相位变化为零; 而流动自旋质子由于 位置发生了移动，即使遇到两个大小和持续时间相同 但方向相反的梯度场，其相位变化也不可能回到零，故 流动质子群的相位变化得到保留，与静止组织存在相 位差别，利用这种差别即形成相位对比． 流动质子群 的相位变化与流速呈线性关系，流速越快，相位变化越 明显: ΔΦ = r·Δm·v． ( 1) 式中，ΔΦ 为相位差，r 为磁旋比，Δm 可简单表示为梯 度场面积与施加双极梯度场的时间间隔的乘积，v 为 频率． 通过对速度编码梯度场的调整，观察流动质子 的相位变化，可检测出流动质子的运动方向、流速、流 量等信息［13］． 2 实验 2. 1 实验装置 实验装置主要由柱浸系统、夹持稳固装置和核磁 共振成像系统三部分组成． 柱浸系统主体为自制有机 玻璃柱，高 220 mm，内径 60 mm，底部有均匀圆孔筛板， 上端和末端均连接流量控制开关，下端连接流量计． 如图 1 所示． 图 1 核磁共振扫描装置 Fig． 1 Nuclear magnetic resonance scanner 核磁共振成像探测设备为美国通用电气医疗系统 Discovery MＲ750 3. 0T，见图 1． 实验时所有获得的图 像参数为: 切片厚度为 4 mm，缺口 0. 4 mm，视野为 15 cm × 15 cm，翻 转 角 20°，重 复 时 间 ( TＲ) /回 波 时 间 ( TE) 为 40 ms /6. 84 ms，片层厚度 4 mm，片层方向为垂 直流动方向． 2. 2 实验材料 核磁共振测速实验中实验材料对成像效果影响较 · 672 ·