基本介紹
- 中文名：滲流
- 外文名：porous flow
- 定義：流體在孔隙介質中的流動
- 基本定律：達西定理
- 套用：水利、地質、採礦、石油等
- 所屬學科：流體力學
基本定律,滲流模型,工程套用,
基本定律
流體在空隙介質中流動時，由於液體黏滯性的作用必然伴隨著能量損失。1852 ——1855年，法國工程師達西(Henri Darty)利用如滲流實驗裝置對砂質土壤進行了大量的實驗，通過實驗研究總結出滲流的能量損失與滲流速度之間的基本關係，一般稱之為達西定律。
達西滲流實驗裝置
達西滲流實驗裝置達西實驗裝置為一直立圓筒，筒壁裝兩支相距為S的側壓’管，筒內裝砂，砂層由金屬細網支托。水由穩壓箱經水管流人圓筒，溢水管B使筒內維持一個恆定水位。經過砂層滲透的水由水管T流入容器V中，並利用該容器計算滲流量。若測得經過圓筒砂層的滲流量為Q，則該滲流斷面平均流速為
式中v為滲流模型的斷面平均流速。
達西分析了大量的實驗資料，試驗資料表明滲流流量Q與圓筒面積A和水力坡度J成正比，比與土壤的透水性能有關。引入一個比例係數k，達西所建立的基本關係式為Q=kAJ，v=kJ 。
上式稱為達西公式，該公式所表達的滲流基本定律稱為達西定律。
達西實驗是在等直徑圓筒中做的，水位保持恆定，因此所發生的滲流是恆定均勻滲流。故達西定律是在恆定均勻滲流中概括出來的。達西定律也可推廣到非均勻滲流、非恆定滲流中去，但對非均勻滲流。上式中的u已不再是斷面平均流速，而是滲流域中任一點的流速v，水力坡度J也是隨位置而變化的，故達西定律也可表示為u=kJ。而
故
與一般液流一樣．滲流也有層流和紊流之分。達西定律表明滲流的沿程水頭損失與流速的一次方成比例。故達西定律僅適用於層流滲流，而大多數細顆粒土壤中的滲流都屬於層流，故達西定律是適用的。但在卵石、礫石等大顆粒土壤中的滲流可能出現紊流，這時達西定律不能適用。
滲流模型
滲流是水在土壤孔隙中的運動，而土壤孔隙的形狀、大小和分布是極為複雜的，因此滲流水質點的運動軌跡也是很不規則的，具有隨機性質。但在實際工程上。並不需要了解具體孔隙中的滲流情況，而是採用某種統計平均值來描述滲流，即用簡化了的滲流模型來代替實際的滲流。為研究方便，對實際的滲流提出兩點簡化。其一，不考慮滲流路徑的曲折迂迴，只考慮它的主要流向；其二，略去滲流區的土壤顆粒，認為滲流充滿全部的流動空問(包括土壤顆粒和孔隙)。但實際滲流中土壤顆粒與水之間的相互作用在滲流模型中仍然存在。為了使假想的滲流模型在水力特性方面和實際滲流相一致，它必須滿足下列條件：①對於同一過水斷面，滲流模型所通過的流量等於實際滲流所通過的流量；②滲流模型和實際滲流在同一流程內的水頭損失相等。這樣，滲流模型就可以完全模擬真實滲流。
由於採用了滲流模型，滲流被看作是在包括土壤骨架和孔隙在內的全部空間的連續介質的運動，因此滲流的運動要素將作為全部空間的連續函式來研究。這樣，就像研究液流運動一樣，可以採用有關連續函式的數學工具來研究滲流。要注意的是，滲流模型的流速和實際滲流的流速是不相等的，在滲流模型中，任一過水斷面上的滲流流速定義為
式中：△Q為通過微小過水斷面△A的滲透量；△A為包括骨架在內的假想過水斷面面積。
若土壤的孔隙率為n，則真是滲流的過水斷面面積應為n△A，這時滲流在孔隙中的的統計平均流速為
u'為真實的滲流流速。可見真實滲流的流速比滲流模型的流速大。
滲流隨液流運動一樣，可分為恆定滲流和非恆定滲流、均勻滲流和非均勻滲流、漸變滲流和非漸變滲流、無壓滲流和有壓滲流，按空間看分為一元滲流、二元滲流和三元滲流。
工程套用
地下水和地表水都是人類重要水資源。新中國成立以來，我國華北地區和西北地區開鑿了數以計的灌溉井、工業及民用井，都是典型的滲流套用實例。
滲流理論除了套用於水利、化工、地質、採掘等生產建設部門外，在土木工程方面的套用可列舉如下幾種：
(1)在給水方面，有井和集水廊道等集水建築物的設計計算問題。
(2)在排灌工程方面，有地下水位的變動、渠道的滲漏損失以及壩體和渠道邊坡的穩定等方面的問題。
(3)在水工建築物，特別是高壩的修建方面，有壩身的穩定、壩身及壩下的滲透損失等方面的問題。
(4)在建築施工方面，需確定周堰或基坑的排水量和水位降落等方面的問題
