流体力学 渗流.ppt

第九章渗流
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第九章渗流
渗流是流体通过多孔介质的流动,渗流力学就是研究流体在多孔介质中运动规律的科学。渗流力学是流体力学的一个分支,是流体力学与介质理论、表面物理、物理化学以及生物学交叉渗透而发展起来的一门边缘学科。
渗流现象普遍存在于自然界和人造材料中。如地下水、热水和盐水的渗流;石油、天然气和煤层气的渗流;动物体内的血液微循环和微细支气管的渗流;植物体内水分、气体和糖分的输送;陶瓷、砖石、砂模、填充床等人造多孔材料中的渗流等。
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渗流力学在很多应用科学和工程技术领域有着广泛的应用。如土壤力学、地下水文学、石油工程、地热工程、给水工程、环境工程、化工和微机械等等。此外,在国防工业中,如航空航天工业中的发热冷却,核废料的处理以及诸如防毒面罩的研制等都涉及渗流力学问题。
渗流的特点在于:第一,多孔介质单位体积空隙的表面积较大,表面作用明显,任何人和时候都必须考虑粘性作用;第二,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;第三,孔道形状复杂、阻力大、毛细管作用较普遍,有时还要考虑分子力;第四,往往伴随有复杂的物理化学过程。
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渗流力学是一门既有较长历史又年轻活跃的科学。从达西定律的出现到现在已过去一个半世纪。20世纪石油工业的崛起极大地推动了渗流力学的发展。随着相关科学技术的发展,如高性能计算机的出现,核磁共振、CT 扫描成像以及其他先进实验方法用于渗流,又将渗流力学大大推进了一步。近年来,随着非线性力学的发展,将分叉、混沌理论以及分形理论用于渗流,其他诸如格气模型的建立等等,更使渗流力学的发展进入一个全新的阶段。
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第一节渗流基本定律
一、渗流模型
图 9 —1 为渗流实验装置,圆筒内充填沙粒,界面积为 A , 沙层厚为 l , 沙底部有细网支撑。
水由稳压箱经阀 A 进入圆筒 C
测定。忽略动能,测压管水头差
H1-H2为渗流的水头损失。
图9—1 渗流实验装置
二、达西渗流定律
法国工程师达西(Henri Darcy)在1852至1855年利用沙质土壤进行了大量实验,得到线性渗流定律。即达西定律:
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三、渗流系数
渗流系数测定方法:
(1)经验公式法,根据土壤粒径、形状、结构、孔隙率,影响流体粘性的温度等参数所组成的经验公式估算。
(2)实验室方法,在实验室利用类似图9—1的装置及公式(9—1)计算,方法简易,但不易取得未扰动土样。
(3)现场方法,在现场利用钻井或原有井作抽水或灌水实验,根据水井的计算公式求 k 值。
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第二节地下水均匀流和非均匀流
一、恒定均匀流和非均匀流
(1)恒定均匀渗流,任一断面水力坡相同,由达西定律,任意点流速 u 都相等。
(2)恒定非均匀渗流,如图 9—2 所示
任意过水断面上各点测压管坡度
图 9—2 测压管坡度
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二、渐变渗流基本微分方程和浸润曲线
在无压渗流中,重力水自由表面称浸润表面,平面问题中为浸润曲线。如图9—3所示,由裘皮幼公式
图 9—3
图 9—4
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第三节井和集水廊道
一、集水廊道
某集水廊道,横断面为矩形,底为不透水层,见图10—8,
底坡 i = 0,由式(9—3)得
积分得
图 9—5 集水廊道
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二、潜水井(无压井)
具有自由水面的地下水称无压水或潜水,在其中建的井称潜水井。井底打到不透水层称完全井,如图9—6
图 9—6 潜水井
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