关于渗流力学介绍

[拼音]：shenliu lixue

[外文]：mechanics of flow through porous media

流体力学的一个分支，主要研究流体在多孔介质内的运动规律。在中国习用的“渗流”这一术语，其基本涵义是泛指流体在任何多孔介质内的流动。由于渗流的理论和应用在相当长的时期内主要涉及地下多孔介质内的流动，所以不少人将这一术语理解为只指地下渗流。随着渗流理论和应用逐步深入到更广泛的领域，这种狭义理解逐渐减少。在中国和苏联，当专指地下渗流力学时，也称“地下水力学”和“地下水动力学”。天然和人造的多孔介质普遍具有下列特征：空隙尺寸微小；比表面积数值很大。多孔介质的特征使渗流具有下述特点：表面分子力作用显著，毛细管作用突出；流动阻力较大，流动速度一般较慢，惯性力往往可忽略不计。

发展简史

法国工程师H.-P.-G.达西在1856年公布了水通过均匀砂层渗流的线性定律，渗流理论即从此开始发展。

初期，主要由于水的净化、地下水开发、水利和水力工程的需要，渗流力学开始成长；从20世纪20年代起，又在石油、天然气开发工业中得到应用。在这个阶段，渗流力学考虑的因素比较简单：均质的孔隙介质、单相的牛顿流体、等温的渗流过程；而不考虑流体运动中的复杂的物理过程和化学反应。这种简单条件下的渗流问题的数学模型是拉普拉斯方程、傅里叶热传导方程和二阶非线性抛物型方程。这个阶段的研究方法主要是数学物理方法和比较简单的模拟方法。

从20世纪30年代起，由于低于饱和压力开发油田、天然水力驱动、人工注水开发油田以及农田水利等工程技术的需要，逐步发展多相渗流理论，开始了渗流力学的新阶段。60年代以后，渗流力学发展迅速。由于研究内容和考虑因素方面的发展，渗流理论不断深化，大体沿着五个方向进行：

（1）考虑多孔介质的性质和特点，发展非均质介质渗流、多重介质（裂缝-孔隙-孔洞）渗流和变形介质渗流；

（2）考虑流体的多相性，继续发展多相渗流；

（3）考虑流体的流变性影响，发展非牛顿流体渗流；

（4）考虑渗流的复杂物理过程和化学反应，发展物理-化学渗流；

（5）考虑渗流过程的温度条件，发展非等温渗流。此外，还开始出现一些新动向，例如，研究流体在孔隙内运动的细节，发展微观渗流；渗流力学与生物学交叉渗透，发展生物渗流。

由于渗流力学的应用范围日益广泛，除地下渗流力学外，还研究工程装置和工程材料中的渗流力学问题，逐步形成工程渗流力学。

研究、实验手段也逐步现代化。电子计算技术以及数值计算和数值模拟方法已较普遍使用。多相多维渗流、非等温渗流和物理-化学渗流等方面的问题，一般都靠电子计算机帮助求解。随着渗流问题复杂程度和难度的增大以及大容量计算机的出现，在渗流力学的较多领域内，电子计算机开始取代以相似理论为基础的数学模拟设备。由于测微、速测等技术和物理模拟技术的改进，实验过程自动控制和数据处理自动化的逐步推广，渗流力学研究的重要手段之一的物理模拟也正在实现现代化。

学科内容

渗流力学当前比较成熟的内容有单相渗流理论、多相渗流理论、双重介质渗流理论、渗流基本定律和多孔介质理论。单相渗流理论包括液体渗流理论、带自由面渗流理论、气体渗流理论。当具有不同物理性质的多种流体在多孔介质内混流时，称为多相渗流。多相渗流理论与许多工程技术有密切关系。例如，油层内的流动大多是油、气、水多相渗流；非饱水土中的渗流是水和气的多相渗流；在地热开发过程中也存在热水和气的多相渗流。迄今比较成熟的多相渗流理论为混气液体渗流理论、二相液体渗流理论和非饱水土渗流理论。现就以上内容分述于下：

研究承压条件下均质液体的渗流规律（见液体渗流）。根据是否考虑多孔介质和流体的d性又分为d性渗流和刚性渗流。早期的地下水和石油开发工程以及水工建筑等工程都需要了解地下液体渗流规律和计算方法，刚性渗流理论因而得到发展。以后发现地层岩石和液体的d性对流体运动和生产状况产生不可忽视的影响，d性渗流理论得到不断发展。

研究非承压条件下均质液体的渗流规律。当液体的最上部不受隔水顶板的限制，存在一个其上任意一点的压强为大气压强的自由液面时，多孔介质中的液体流动称带自由面渗流或无压渗流。含水层中的潜水向开采井方向汇集，河道或水库里的水透过河堤或土坝向下游渗流以及石油在地层中向生产井自由渗流等均属无压渗流。水文地质、水利工程和石油开采等生产部门的需要，促使无压渗流理论不断发展。

研究气体在多孔介质中的流动规律。气体的组成可能是单一的，也可能是组分恒定的多组分混合物。气体渗流理论的出现是由于天然气开采等工程的需要。气体渗流具有压缩性特强、渗流定律非线性、渗流过程非等温性以及存在滑脱效应等特点，是比较复杂的渗流问题。

研究相互掺混的液体与气体在多孔介质中的运动规律（见混气液体渗流）。混气液的液体为连续相，气体为离散相。这一理论是低于饱和压力下开发油田的理论基础，也是地下热能开发工业和与土壤水运动有关的部门所需要的理论。

研究一相液体驱替另一相不同前者混溶的液体的流动规律（见二相液体渗流）。这一理论是天然水力驱动油田的开发工程和广泛应用的人工注水开发油田技术的理论基础。

研究土壤孔隙未被水充满的条件下的流体运动规律。灌溉排水条件下或作物根系吸水作用下的土壤水运动，入渗、蒸发和地下水位变动条件下潜水面以上土层（包气带）内的水分运动均属非饱水土渗流。这一理论是农田水利和水文地质等部门的一项理论基础。

研究流体在裂缝－孔隙介质中的运动规律（见双重介质渗流）。双重介质系由裂缝系统和岩块孔隙系统组成的特殊多孔介质。双重介质渗流理论的建立主要是由于在世界范围内发现和开发一系列裂缝性油气田，它是这种类型的油田、天然气田和地下水层的储量计算和合理开发的理论基础。

描述流体在多孔介质内运动的基本规律，亦即渗流过程的宏观统计规律。它是研究渗流力学的基础。在一定的雷诺数范围内，牛顿流体在不可变形多孔介质内的运动遵循达西渗流定律。

渗流是多孔介质内的流体运动，研究渗流力学涉及的多孔介质的物理 -力学性质的理论就成为渗流力学的基本组成部分。多孔介质理论包括多孔介质的孔隙率、润湿性、毛细管压力和渗透率等内容。

应用

渗流力学应用比较成熟的方面首先是地下渗流，其次是工程渗流。

地下渗流研究地下多孔介质内的渗流规律及应用。涉及地下流体的开发工程、建设工程和农业工程等都要以渗流力学为资源储量计算、工程规划设计、生产动态预测和生产过程控制等工作的理论基础和工作手段。石油、天然气、地下热能、地下水和地下化学流体等资源和能源的储量计算、开发设计以及生产动态预测和控制，为保证水工建筑正常工作并延长使用年限，为有效地防治土地沼泽化和盐碱化以及为合理地建设排灌工程等所需的计算和设计，城市地面沉降防治工程中的地下水控制开采和人工回灌措施的规划设计、生产动态预测和生产过程控制，地下储气库工程、核能工业污水和其他污水的地下处理工程的选址、设计和生产控制，岩盐层地区建筑工程和交通设施的设计和建设，煤矿开采工程的瓦斯和地下水处理的计算和设计以及地震预报等各项工作都要应用渗流力学的理论和方法。

工程渗流研究工程装置和工程材料内的流体运动规律及应用。许多生产部门越来越普遍地使用各种类型的人造多孔材料和人造多孔介质充填的装置，由于流体在其中的运动规律常常是不能忽视的问题，所以人造多孔介质内的渗流理论逐步发展。在较多工业部门，特别是化工部门，过滤常常是重要的生产环节，滤器多孔介质内的流动是渗流过程；盐水淡化工程及浓缩分离技术中以半透膜为主体的多管多孔体系内存在复杂的渗流问题；石油炼制和化学工业等部门普遍使用的填充塔和固定床内存在复杂的渗流过程；砖、石、混凝土和木材等多孔性建筑材料中存在水气渗流及其与应力 -应变的关系等问题；为有效地测定和控制粉末冶金多孔材料的性能需要研究渗流问题；铸造砂型内的气体渗流对铸造技术和铸件质量有影响；科研部门常用的色谱分析装置内的流体运动也是需要重视的渗流问题。工程渗流力学迄今已涉及化工、冶金、机械、建筑、城市建设、环境保护、核能、盐水淡化、染料和制糖等部门。