渗流力学

流体力学的分支

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。

简介

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。

经典渗流力学阶段初期，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。

现代渗流力学阶段从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考虑乡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圈日益广泛，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。

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：

液体渗流理论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弹性又分为弹性渗流和刚性渗流。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弹性对流体运动和生产状况产生不可忽视的影响，弹性渗流理论得到不断发展。

带自由面渗流理论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。

气体渗流理论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。

混气液体渗流理论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。

二相液体渗流理沦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。

非饱水土渗流理沦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。

双重介质渗流理论研究流体在裂缝—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台理开发的理论基础。

渗流基本定律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。

多孔介质理论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。

渗流特点

（1）多孔介质单位体积孔隙的表面积比较大，表面作用明显。任何时候都必须考虑粘性作用；

（2）在地下渗流中往往压力较大，因而通常要考虑流体的压缩性；

（3）孔道形状复杂、阻力大、毛管力作用较普遍，有时还要考虑分子力；

（4）往往伴随有复杂的物理化学过程。

应用范围

渗流力学的应用范围越来越广，日益成为多种工程技术的理论基础。由于多孔介质广泛存在于自然界、工程材料和人体与动植物体内，因而就渗流力学的应用范围而言，大致可划分为地下渗流、工程渗流和生物渗流3个方面。

地下渗流是指土壤、岩石和地表堆积物中流体的渗流。它包含地下流体资源开发、地球物理渗流以及地下工程中渗流几个部分。地下流体资源包括石油、天然气、煤层气、地下水、地热、地下盐水以及二氧化碳等等。与此相关的除能源工业外还涉及农田水利、土壤改良(特别是沿海和盐湖附近地区的土壤改良)和排灌工程、地下污水处理、水库蓄水对周围地区的影响和水库诱发地震、地面沉降控制等。地球物理渗流是指流体力学和地球物理学交叉结合而出现的渗流问题。这些问题的研究进一步推动了渗流力学理论的发展。地球物理渗流包括雪层中的渗流和雪崩的形成、地表图案的形成、海底水冻层的溶化、岩浆的流动和成岩作用过程以及海洋地壳中的渗流等。

存在于人造多孔介质或工程装置中的流体渗流称为工程渗流，它涉及化学工业、冶金工业、原子能工业、机械工业、建筑工业、轻工食品等多个部门。存在于人体和动植物体内的流体渗流称为生物渗流，它包含人体和动物体内毛细血管中的血液流动与呼吸系统的气体运动，植物体内的水分糖分的流动等。

研究意义

简单地说，渗流研究的意义体现在；渗流理论已经成为人类开发地下水、地热、石油、天然气、煤炭与煤层气等诸多地下资源的重要理论基础，在环境保护、地震预报、生物医疗等科学技术领域中，在防止与治理地面沉降、海水人侵，兴建大型水利水电工程、农林工程、冻土工程等工程技术中，已成为必不可少的理论。

全国各地天气预报查询

上海市

云南省

云南省

云南省