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1、渗流力学渗流力学研究的内容 流体通过多孔介质的流动称为渗流。多孔介质是指由固体骨架和相互连通的孔隙、裂缝或各种类型毛细管所组成的材料。渗流力学就是研究流体在多孔介质中运动规律的科学。它是流体力学的一个重要分支，是流体力学与岩石力学、多孔介质理论、表面物理、物理化学以及生物学交叉渗透而形成的。 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气体的渗流等。 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、地下水水文学、石油工
2、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汗冷却、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：（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。 渗流力学是一门既有较长历史又年轻活跃的科学。从Darcy定律的出现已过去一个半世纪。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
3、，核磁共振、CT扫描成像以及其它先进试验方法用于渗流，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、混沌以及分形理论用于渗流，其它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。 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
4、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
5、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。 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。 渗流力学理论与应用研究的展望 渗流力学的发展，一方面是受到工农业生产所提出各种实际问题的激励和推动，一方面是受到相关科学技术发展所提供各种手段和方法的支持和帮助、反过来渗流力学的发展又极大地促进有关部门的生产发展和相应领域的科技进步。在20世纪
6、末渗流力学本身和相关科学技术发展的基础上，渗流力学的理论和应用研究在双世纪上半叶将获得更加广泛和深入的发展。 11 细观渗流的研究 细观渗流是指研究在微细尺度上(目前二维像素(pixel)和三维像素(voxel)的线尺度均在100m以下)渗流的性状。传统的渗流是研究宏观特性，即统计平均特性,不能确切了解多孔介质内部的物理化学过程及渗流机理。细观与宏观研究相互补充可使对渗流的认识更加透彻。细观渗流研究的内容包括：多孔介质本身的特性如介质的拓扑结构、孔隙和裂缝的分布情况、孔隙表面的粗糙度、空隙度和渗透率的分布情况等；多孔介质与流体之间的关系，如表面润湿性、吸附和解吸特性、饱和度分布和各相之间的分布
7、细节等。 12流固耦合的研究 流固耦合的研究通常是将渗流力学与岩土力学结合起来，所涉及的内容包括振动采油、水库诱发地震、地面沉降和煤层气渗流等，振动采油是利用外力作用来提高石油采收率。研究表明：在交变载荷作用下，多孔介质和流体处于膨胀收缩的交替过程，应力应变关系是瞬变状态。水库大量蓄水会造成局部岩体应力积累。地面沉降及恢复过程也涉及流固耦合问题。煤层甲烷气渗流与煤体力学的耦合是采煤业和煤层甲烷气开发中必须研究的重要课题。众所周知：瓦斯突出严重地威胁煤矿工人的生命安全；而煤层气开发己成为提供能源的一个新途径。流体饱和的多孔介质中波系的传播也是一个值得重视的领域。 对流固耦合渗流的研究已显得十分重
8、要。流固耦合问题涉及的范围很广。微动态渗流问题，水库与大坝的相互作用问题等，均属于流固耦合问题，对流固耦合渗流问题已经做了一些研究，例如在考虑流固耦合的同时，又考虑温度场、地电场以及其他物理化学因素。下面介绍几个工程领域中的例子。 1.2.1地面沉降的渗流问题 地面沉降是世界上普遍存在的一种环境灾害。它主要是由于过度开采地下水或地下矿产资源而造成的，往往毁坏市镇工程设施与地面建筑物及铁路公路交通设施，还可能造成地面开裂或海水入侵等。过去，威尼斯、东京等大城市的地面沉降现象是世界有名的，影响了城市建设，给人民的生命财产安全带来严重危险。现在，世界上的地而沉降情况就更严重了，已成为城市的主要灾害之
9、一。例如，美国的加利福尼亚地区多处出现地面沉降现象，据不完全统计，我国至少已有30多座城市出现过比较严重的地而沉降问题，例如上海、大津、西安、常州等城市。这些城市发生地面沉降的原因主要是不合理抽取地下水，引起地层孔隙流体压力下降导致岩层或土层变形。天津市市内年平均沉降超过5cm，个别地区达14cm，19491997年的累积沉降一般巳达2.7m。上海市自1921年发现地面沉降到1965年，最大累积沉降量达263m，有些地方降到了海平面以下。从1963年起，上海市限制地下水抽用量，1965年起进行开采层次调整和人工回灌。自从采取防治地面沉降措施后，市区地面沉降逐渐趋于稳定，但市区冬灌夏采，水位不断
10、起落，地面冬升夏沉。随着城市化进程的加快，城市人口急剧增加。生产和生活用水量日益增加，这给地面沉降防治带来很大困难。涉及地面沉降的渗流问题是流固耦合问题。需要将渗流力学与岩土力学等学科紧密结合起来，才能得到较好的解决。这类问题可分成两类：一为基础性问题，需要进行实验研究和理论分析；二为应用性问题，例如，采水灌水工程的层位组合、井网井位布局、采灌量的规划、动态预测和动态分析以及治理过程中的层位、井位和采灌量的调整等，都需要相应的渗流计算分析。30多年来，我国在地面沉降防治方面，从渗流的角度开展了理论分析及应用研究工作，但投入力量较小，未能满足工程实际的需要。因此，一方面需要增加投入；另一方面需要
11、渗流力学界的专家学者进行多学科交叉研究。 1.2.2水库诱发地震中的渗流问题 人类工程活动在一定条件下可诱发地震，如修建水库、城市或油田抽水或注人工爆破或地下核爆破等均可引起地震活动。水库诱发地震可能毁坏水库水坝，使人民生命财产遭受巨大损失。水库诱发地震的机制随条件不同而有所区别。有的是水库大量蓄水的载荷效应使水库下岩体中孔隙水压增加，导致岩体中部分构造应力提前释放，使地震活动加剧。有的是因库水沿岩体层理、节理及各种层次的裂缝渗流入岩体深部，使孔隙水压增加，提高了岩体局部的应力积累，进行能量释放而发生地震。黄河龙羊峡水库和陕西三原县冯村水库地震均为上述机制的实例。有时，在上载负荷变化和入渗水影
12、响的同时，还存在固体潮效应，龙羊峡水库地震与朔望固体潮的关系就相当明显。中国总震例数的50为外部成因的水库诱发地震。将渗流力学与岩土力学结合起来，深入研究水库诱发地震机制，为地震预测预报提供理论依据，这是一项长时期内都不能松懈的工作。这方面的研究还很薄弱。 1.2.3煤层渗流 煤层气渗流与煤体力学的耦合研究对煤炭开采有重要的意义。一方面。煤层气是煤矿生产的灾害隐患；另一方面，它又是一种洁净的能源。我国煤层气资源很丰富，是我国重要的接替能源之一。合理开发煤层气资源可以从根本上解除煤矿瓦斯灾害隐患。煤层大多属于孔隙裂缝多重介质，煤的孔隙和裂缝表面极不规则，煤层介质中除瓦斯外有时还有水，瓦斯在煤孔隙
13、裂缝表面上的吸附和解吸机制很复杂，地电场与温度场等物理场对瓦斯渗流有影响。多种因素影响使得煤层气渗流问题往往非常复杂，渗流基本规律是否遵循达西线性渗流运动定律还需要探索。我国有关单位的科研人员在瓦斯突出的研究方面，已取得了一定的成果，但对于煤层气渗流基本规律与机制的认识还很肤浅，有待于进一步研究。 1.2.4石油开采中的流固耦合渗流 油气藏开发过程是多相流体渗流与储层介质变形耦合的动态过程。在交变载荷作用下，多孔介质和流体处于不断地膨胀和收缩交替变化状态，不稳定渗流过程和岩石应力应变过程相互影响，其结果是在产出液中油的比例升高，水的比例减小，有利于提高石油的采收率和产量。室内实验和矿场实验表明
14、以不同的频率和幅度不断改变压力和流量，使油层中的压力场和速度场不断变化，有助于提高原油产量和采收率。因为我国石油年产量的绝大部分都是在高含水条件下获得的，因此上述问题作为流固耦合问题进行研究是有重要意义的。除了上述四个领域涉及流固耦合问题外，在其他领域也存在类似的问题。例如，黄土地区的地面裂陷和岩溶塌陷等，需要从事渗流研究的科技入员给予足够的重视。 13输运过程的研究 输运过程是当代渗流力学中的重要课题，它涉及地下水污染的防治、土壤的盐碱化以及三次采油等领域，地下水污染的原因有垃圾处理不当，其滤液渗入地表并进入含水层；工业废水和生活污水诽入江湖后渗入地下台水层；化肥和农药渗入地表并进入含水层；
15、沿海地区的海水入侵以及内陆海相沉积层中咸水入侵淡水层等等。溶质的输运造成地下水含有各种有机质和无机化合物，使地下水恶化。给人们生活、工业用水和农业灌溉带来严重影响。三次采油中向地层注入表面活性剂等驱油溶液也涉及溶质运移的研究。溶质输运过程的研究以费克(Fick)扩散定律和水动力弥散理论为基础。关于动力弥散理论已建立一些模型，如细管、毛细管束和网络模型等。这些模型各有优缺点，均远未达到能精确而简明描述的程度，水动力弥散的概念和数学模型还有待进一步完善。 14 现代非线性渗流力学 现代非线性连续介质力学发展很快，目前着重研究分叉和混沌、分形理论和孤子理论3个方面。在渗流力学领域主要涉及分叉和混沌以
16、及分形理论。 美国艺术与科学院院士B B Mandelbrot因创立了分形学科而一举成名。1967年，他在美国科学上发表了长度两页多一点的报告英国海岸线有多长，统计自相似与分数维。以后，他出版了分形对象：形、机遇与维数、大自然的分形几何学等。他引进分数维描述自然现象，并称这类体系为“分形”。分形是非线性特征的几何表现。而按照欧几里得几何学，物质的空间是以整数维表征的。分形的特点为：空间分布是间断的、非均匀的、不光滑的、处处不可微分的，具有尺度变换的自相似性，即局部为整体成比例性缩小的特性。分形理论是研究分形的几何特征、数量表征及其普适性的现代非线性科学理论。多孔介质的宏观与微观特征都具分形特征，所以在渗流力学理论及其工程应用研究中，分形理论将发挥重要作用。多种产业部门和工程技术中的渗流研究都已
