滲流力學

流體力學的一個分支，主要研究流體在多孔介質內的運動規律。

基本介紹

• 中文名：滲流力學
• 屬於：流體力學的一個重要分支
• 普遍存在：自然界和人造材料中
• 例子：地下水、熱水和鹽水的滲流

簡介

在中國習用的“滲流”這一術語，其基本涵義是泛指流體在任何多孔介質內的流動。由於滲流的理論和套用在相當長的時期內主要涉及地下多孔介質內的流動，所以不少人將這一術語理解為只指地下滲流。隨著滲流理論和套用逐步深入到更廣泛的領域，這種狹義理解逐漸減少。在中國和蘇聯，當專指地下滲流力學時，也稱“地下水力學”和：地下水動力學”。天然和人造的多孔介質普遍具有下列特徵；空隙尺寸微小；比表面積數值很大。多孔介質的特徵使滲流具有下述特點：表面分子力作用顯著，毛細管作用突出；流動阻力較大，流動速度一般較慢，慣性力往往可忽略不計。

發展簡史

法國工程師達西在1856年公布了水通過均勻砂層滲流的線性定律，滲流理論即從此開始發展。

經典滲流力學階段 初期，主要由於永的淨化，地下水開發、水利和水力工程的需要，滲流力學開始成長，從20世紀20年代起，又在石油，天然氣開發工業中得到套用。在這個階段，滲流力學考慮的因素比較簡單：均質的孔隙介質，單相的牛頓流體、等溫的滲流過程，而不考慮流體運動中的複雜的物理過程和化學反應。這種簡單條件下的滲流問題的數學模型是拉普拉斯方程，傅立葉熱傳導方程和二階非線性拋物型方程。這個階段的研究方法主要是數學物理方法和比較簡單的模擬方法。

現代滲流力學階段 從20世紀30年代起，由於低於飽和壓力開發油田、天然水力驅動、人工注水開發油田以及農田水利等工程技術的需要，逐步發展多相滲流理論，開始了滲流力學的新階段。60年代以後，滲流力學發展迅速。由於研究內容和考慮因素方面的發展，滲流理論不斷深化，大體沿著五個方向進行：①考慮鄉孔介質的性質和特點，發展非均質介質滲流、多重介質（裂縫—孔隙—孔洞）滲流和變形介質滲流；②考慮流體的多相性，繼續發展多相滲流；③考慮流體的流變性影響，發展非牛頓流體滲流；④考慮滲流的複雜物理過程和化學反應，發展物理—化學滲流；⑤考慮滲流過程的溫度條件發展非等溫滲流。此外，還開始出現一些新動向，例如，研究流體在孔隙內運動的細節，發展微觀滲流；滲流力學與生物學交叉滲透，發展生物滲流。

由於滲流力學的套用范圈日益廣泛，除地下滲流力學外，還研究工程裝置和工程材料中的滲流力學問題，逐步形成工程滲流力學。

學科內容

滲流力學當前比較成熟的內容有單相滲流理論、多相滲流理論、雙重介質滲流理論、滲流基本定律和多孔介質理論。單相滲流理論包括液體滲流理論、帶自由面滲流理論，氣體滲流理論。當具有不同物理性質的多種流體在多孔介質內混流時，稱為多相滲流。多相滲流理論與許多工程技術有密切關係。例如，油層內的流動大多是油、氣、水多相滲流，非飽水土中的滲流是水和氣的多相滲流；在地熱開發過程中也存在熱水和氣的多相滲流。迄今比較成熟的多相滲流理論為混氣液體滲流理論、二相液體滲流理論和非飽水土滲流理論。現就以上內容分述於下：

液體滲流理論 研究承壓條件下均質液體的滲流規律（見液體滲流）。根據是否考慮多孔介質和流體的彈性又分為彈性滲流和剛性滲流。早期的地下水和石油開發工程以及水工建築等工程都需要了解地下液體滲流規律和計算方法，剛性滲流理論因而得到發展。以後發現地層岩石和液體的彈性對流體運動和生產狀況產生不可忽視的影響，彈性滲流理論得到不斷發展。

帶自由面滲流理論 研究非承壓條件下均質液體的滲流規律。當液體的最上部不受隔水頂板的限制，存在一個其上任意一點的壓強為大氣壓強的自由液面時，多孔介質中的液體流動稱帶自由面滲流或無壓滲流。含水層中的潛水向開採井方向匯集，河道或水庫里的水透過河堤或土壩向下游滲流以及石油在地層中向生產井自由滲流等均屬無壓滲流。水文地質。水利工程和石油開採等生產部門的需要，促使無壓滲流理論不斷發展。

氣體滲流理論 研究氣體在多孔介質中的流動規律。氣體的組成可能是單一的，也可能是組分恆定的多組分混合物。氣體滲流理論的出現是由於天然氣開採等工程的需要。氣體滲流具有壓縮性特強、滲流定律非線性、滲流過程非等溫性以及存在滑脫效應等特點，是比較複雜的滲流問題。

混氣液體滲流理論 研究相互摻混的液體與氣體在多孔介質中的運動規律（見混氣液體滲流）。混氣液的液體為連續相，氣體為離散相。這一理論是低於飽和壓力下開發油田的理論基礎，也是地下熱能開發工業和與土壤水運動有關的部門所需要的理論。

二相液體滲流理淪 研究一相液體驅替另一相不同前者混溶的液體的流動規律（見二相液體滲流）。這一理論是天然水力驅動油田的開發工程和廣泛套用的人工注水開發油田技術的理論基礎。

非飽水土滲流理淪 研究土壤孔隙未被水充滿的條件下的流體運動規律。灌溉排水條件下或作物根系吸水作用下的土壤水運動，入滲、蒸發和地下水位變動條件下潛水面以上土層（包氣帶）內的水分運動均屬非飽水土滲流。這一理論是農田水利和水文地質等部門的一項理論基礎。

雙重介質滲流理論 研究流體在裂縫—孔隙介質中的運動規律（見雙重介質滲流）。雙重介質系由裂縫系統和岩塊孔隙系統組成的特殊多孔介質。雙重介質滲流理論的建立主要是由於在世界範圍內發現和開發一系列裂縫性油氣田，它是這種類型的油田、天然氣田和地下水層的儲量計算和台理開發的理論基礎。

滲流基本定律 描述流體在多孔介質內運動的基本規律，亦即滲流過程的巨觀統計規律。它是研究滲流力學的基礎。在一定的雷諾數範圍內，牛頓流體在不可變形多孔介質內的運動遵循達西滲流定律。

多孔介質理論 滲流是多孔介質內的流體運動，研究滲流力學涉及的多孔介質的物理—力學性質的理論就成為滲流力學的基本組成部分。多孔介質理論包括多孔介質的孔隙率、潤濕性，毛細管壓力和滲透率等內容。

滲流特點

（1）多孔介質單位體積孔隙的表面積比較大，表面作用明顯。任何時候都必須考慮粘性作用；

（2）在地下滲流中往往壓力較大，因而通常要考慮流體的壓縮性；

（3）孔道形狀複雜、阻力大、毛管力作用較普遍，有時還要考慮分子力；

（4）往往伴隨有複雜的物理化學過程。

套用範圍

滲流力學的套用範圍越來越廣，日益成為多種工程技術的理論基礎。由於多孔介質廣泛存在於自然界、工程材料和人體與動植物體內，因而就滲流力學的套用範圍而言，大致可劃分為地下滲流、工程滲流和生物滲流3個方面。

地下滲流是指土壤、岩石和地表堆積物中流體的滲流。它包含地下流體資源開發、地球物理滲流以及地下工程中滲流幾個部分。地下流體資源包括石油、天然氣、煤層氣、地下水、地熱、地下鹽水以及二氧化碳等等。與此相關的除能源工業外還涉及農田水利、土壤改良(特別是沿海和鹽湖附近地區的土壤改良)和排灌工程、地下污水處理、水庫蓄水對周圍地區的影響和水庫誘發地震、地面沉降控制等。地球物理滲流是指流體力學和地球物理學交叉結合而出現的滲流問題。這些問題的研究進一步推動了滲流力學理論的發展。地球物理滲流包括雪層中的滲流和雪崩的形成、地表圖案的形成、海底水凍層的溶化、岩漿的流動和成岩作用過程以及海洋地殼中的滲流等。

存在於人造多孔介質或工程裝置中的流體滲流稱為工程滲流，它涉及化學工業、冶金工業、原子能工業、機械工業、建築工業、輕工食品等多個部門。存在於人體和動植物體內的流體滲流稱為生物滲流，它包含人體和動物體內毛細血管中的血液流動與呼吸系統的氣體運動，植物體內的水分糖分的流動等。

研究意義

簡單地說，滲流研究的意義體現在；滲流理論已經成為人類開發地下水、地熱、石油、天然氣、煤炭與煤層氣等諸多地下資源的重要理論基礎，在環境保護、地震預報、生物醫療等科學技術領域中，在防止與治理地面沉降、海水人侵，興建大型水利水電工程、農林工程、凍土工程等工程技術中，已成為必不可少的理論。