滲流力學(xué)概述

滲流力學(xué)概述摘要：論述了滲流力學(xué)學(xué)科的地位，總結(jié)了滲流力學(xué)三個(gè)不同階段的發(fā)展.介紹了當(dāng)前滲流力學(xué)學(xué)科的若干前沿研究并對(duì)滲流力學(xué)的下一步需要重點(diǎn)研究的工作進(jìn)行了說(shuō)明.關(guān)鍵詞：滲流力學(xué)；發(fā)展；展望FLUIDMECHANICSINPOROUSMEDIASUMMARIZEAbstract:thispaperdescribesthestatusoffluidmechanicsinporousmedia,andsummarizesit’sthreediffOgesnOfthedevelopment.Thisarticleintroducesthefluidmechanicsinporousmediasomefrontierresearchandsubjecttothenextstepinthefluidmechanicsinporousmediatoresearchworkareillustrated.Keywords:fluidmechanicsinporousmedia;development;expectarion0引言滲流力學(xué)是研究流體在多孔介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，滲流力學(xué)既是流體力學(xué)的一個(gè)獨(dú)立的分支學(xué)科，又是一個(gè)與巖石力學(xué)、多孔介質(zhì)物理、表面物理、物理化學(xué)、熱力學(xué)等相互交叉的獨(dú)立學(xué)科.滲流一詞在我國(guó)出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代初期.在此之前，人們將滲流稱之為“濾流”、“濾”等.例如在阿列文的滲濾理論一書(shū)譯文中稱滲流理論為“滲濾理論”。在卡佳霍夫的“油層物理基礎(chǔ)”一書(shū)譯文中也稱滲流理論為“滲濾理論”。20世紀(jì)60年代初中國(guó)科學(xué)院擬在蘭州組建滲流力學(xué)方面的研究機(jī)構(gòu)，初期設(shè)立在蘭州地質(zhì)所，曾稱為“地下水動(dòng)力學(xué)研究室”.1963年該室科研人員經(jīng)過(guò)討論建議改為“滲流力學(xué)室”，這樣“滲流力學(xué)”一詞就逐漸被國(guó)人所接受.滲流的英文對(duì)應(yīng)詞是flowthroughporousmedia，就是通過(guò)多孔介質(zhì)的流動(dòng)，有時(shí)簡(jiǎn)稱為porousflow。因此，滲流的定義為：流體通過(guò)多孔介質(zhì)的流動(dòng)稱為滲流.滲流的這一定義是比較科學(xué)的.從1856年法國(guó)工程師達(dá)西在地下水開(kāi)發(fā)研究中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)提出了以自己名字命名的線性滲流定律以來(lái)，滲流力學(xué)在解決地下水、石油、天然氣開(kāi)發(fā)、水利、水力工程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題中得到長(zhǎng)足發(fā)展。特別是近30年來(lái)，在地?zé)?、地下氦、煤層氣、湖鹽井鹽肉水等地下流體資源開(kāi)發(fā)，鈾礦、巖鹽礦的瀝取開(kāi)采、地下水污染、海水入侵、抽水引起的地面沉降煤和瓦斯突出災(zāi)害的防治，以及地下儲(chǔ)氣庫(kù)工程、核廢料地下存放等領(lǐng)域中，滲流力學(xué)在解決相關(guān)技術(shù)問(wèn)題中得到了更為廣泛的發(fā)展，而目滲流力學(xué)己被應(yīng)用解決化工、輕工、食品、機(jī)械、環(huán)保等部門人造多孔材料和多孔介質(zhì)充填的裝置內(nèi)。如普遍應(yīng)用的金屬陶瓷、充填床、反應(yīng)塔、過(guò)濾器內(nèi)的流體流動(dòng)問(wèn)題以及溶液的濃縮及分離技術(shù)中多孔多管體系和多孔床的混相驅(qū)替以及聚合物生產(chǎn)加工、人造纖維噴絲和潤(rùn)滑技術(shù)中的滲流問(wèn)題。滲流力學(xué)己經(jīng)成為眾多工程領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，顯示出在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中不可替代的地位和巨大作用。近30多年來(lái)在解決工程技術(shù)問(wèn)題過(guò)程中，與化學(xué)、物理化學(xué)、熱學(xué)、流變學(xué)、固體力學(xué)、多相流體力學(xué)、環(huán)境科學(xué)、采礦學(xué)交義滲透形成了含相變滲流力學(xué)、物理化學(xué)滲流力學(xué)、非牛頓流體滲流力學(xué)、非等溫滲流力學(xué)、多相滲流力學(xué)、非線性滲流力學(xué)、微觀滲流力學(xué)、流固禍合滲流力學(xué)、環(huán)境和災(zāi)害滲流力學(xué)以及和生物學(xué)、生理學(xué)、醫(yī)學(xué)、微生物學(xué)和森林學(xué)交義滲透形成以研究生物（人體、動(dòng)植物）體內(nèi)的生物流體在其內(nèi)多種微細(xì)管道體系中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的生物滲流力學(xué)。還有隨著現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展而形成的計(jì)算滲流力學(xué)和實(shí)驗(yàn)滲流力學(xué)。這些新的分支學(xué)科在許多方面解決了過(guò)去不能解決的問(wèn)題。在有些方面改變了傳統(tǒng)的觀念。有些如生物滲流力學(xué)的研究將為21世紀(jì)的生命科學(xué)、生物工程提供新的概念、新的方法和新技術(shù)。2滲流力學(xué)的發(fā)展階段滲流力學(xué)的發(fā)展主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一是滲流力學(xué)的研究向非達(dá)西（非線性）方向擴(kuò)展，其二滲流力學(xué)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用有了更大的發(fā)展.人們?cè)跐B流研究的實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)達(dá)西定律有一定的適用范圍，超過(guò)了這些范圍，滲流規(guī)律就會(huì)變?yōu)榉蔷€性的.主要研究了兩大類非達(dá)西滲流過(guò)程，即低速流動(dòng)條件下的非達(dá)西滲流和高速流動(dòng)條件下的非達(dá)西滲流.2.1低速流動(dòng)條件下的非達(dá)西滲流對(duì)于單相流體低速非達(dá)西滲流問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究.我們將低速下的非達(dá)西滲流規(guī)律分為兩類:一是單相液體的非達(dá)西滲流，一是單相氣體的非達(dá)西滲流.對(duì)于單相液體的非達(dá)西滲流是由蘇聯(lián)學(xué)者帕弗洛夫斯基在1922年首先提出的.在某些情況下，只有當(dāng)外加壓力梯度超過(guò)某一起始?jí)毫μ荻葧r(shí)液體才開(kāi)始流動(dòng).在石油滲流的研究中，特列賓首先提出破壞達(dá)西線性滲流規(guī)律的問(wèn)題.卡佳霍夫等研究了達(dá)西定律的適用范圍，劉慈群研究了有起始比降固結(jié)問(wèn)題的近似解.閻慶來(lái)進(jìn)行了大量的滲流實(shí)驗(yàn)研究，探討了多孔介質(zhì)中低速滲流的機(jī)理.馮文光等研究了單一介質(zhì)雙重介質(zhì)中低速非達(dá)西滲流問(wèn)題求得壓力動(dòng)態(tài).單相低速非達(dá)西滲流的基本特征為：當(dāng)壓力梯度在比較低的某一范圍時(shí)，滲流速度的增加呈下凹型非達(dá)西滲流曲線.當(dāng)壓力梯度大于某一值時(shí)，滲流速度與壓力梯度呈直線性增加.直線段的延伸與壓力梯度軸相交于原點(diǎn).滲流特征與介質(zhì)和液體性質(zhì)有關(guān)，滲透率越低或者液體黏度越大，非達(dá)西部分下凹型曲線延伸越大.對(duì)于單相氣體的非達(dá)西滲流，早在20世紀(jì)40代初，Klinkenberg等研究了氣體在微毛細(xì)管中的流動(dòng)，提出了氣體滲流產(chǎn)生的滑脫效應(yīng)理論.氣體低速非達(dá)西滲流和液體低速非達(dá)西流的差別，主要在于前者主要考慮流體性質(zhì)在低速滲流時(shí)的影響，后者則主要考慮流固相互作用在低速滲流時(shí)的影響.2.2高速非達(dá)西滲流模型一般來(lái)說(shuō)高速非達(dá)西滲流產(chǎn)生在高產(chǎn)油氣井井筒周圍附近區(qū)域內(nèi)，前人建立了很多的數(shù)學(xué)模型來(lái)表達(dá)其特點(diǎn).H.A.卡爾內(nèi)在1950年就提出了在高速滲流時(shí)，流動(dòng)已為非線性的了，出現(xiàn)了速度平方項(xiàng)，后來(lái)明斯基又進(jìn)一步發(fā)展了高速氣體滲流的二項(xiàng)式方程.在試井方面也發(fā)展了非達(dá)西理論，在假定非達(dá)西系數(shù)為常數(shù)的條件下，認(rèn)為非達(dá)西系數(shù)與表皮系數(shù)相似，給出了氣體試井考慮非達(dá)西流動(dòng)的井筒儲(chǔ)存系數(shù)的計(jì)算方法.但事實(shí)上，只有在穩(wěn)定流下高速非達(dá)西流的非達(dá)西系數(shù)才與表皮系數(shù)相似.隨著數(shù)學(xué)理論的不斷進(jìn)步，高速非達(dá)西流的計(jì)算越來(lái)越精確，考慮的因素也越來(lái)越周全.紊流系統(tǒng)由定值考慮時(shí)只適合于地層晚期流動(dòng).隨著理論的發(fā)展紊流系數(shù)為一變量，使結(jié)果適用的范圍更廣，從而使地層中不穩(wěn)定滲流發(fā)展更完善.2.3滲流理論在眾多工程技術(shù)領(lǐng)域都有了更大發(fā)展隨著大型水利工程的建設(shè)，大型復(fù)雜油氣田的開(kāi)發(fā)和各類地下儲(chǔ)氣庫(kù)的建立，滲流理論也得到更大的發(fā)展.阿列文、貝爾等一大批科學(xué)巨匠們的工作極大地發(fā)展了滲流力學(xué)理論并在各工程技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，解決了一大批水利工程、油氣田開(kāi)發(fā)、地下儲(chǔ)氣庫(kù)等方面的問(wèn)題.3滲流力學(xué)學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)滲流力學(xué)學(xué)科發(fā)展可能表現(xiàn)出如下趨勢(shì)：1）適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步的重大需求。滲流力學(xué)是地下流體資源合理開(kāi)發(fā)的理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)。防治地下水污染、抽水引起的地面沉降、煤和瓦斯突出、堤壩坍塌等災(zāi)害均有大量滲流力學(xué)問(wèn)題。上述領(lǐng)域?qū)⒉粩嗵岢鲂碌臐B流力學(xué)問(wèn)題。生物技術(shù)、生物工程發(fā)展需要不斷解決生物流體的滲流問(wèn)題。這些都是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步對(duì)滲流力學(xué)發(fā)展的重大需求。滲流力學(xué)發(fā)展必將為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步作出戰(zhàn)略性突破性的貢獻(xiàn)。2）滲流力學(xué)研究系統(tǒng)將更復(fù)雜，研究體系將有重大發(fā)展。毫無(wú)疑問(wèn)，今后面臨的新的滲流力學(xué)研究系統(tǒng)將更復(fù)雜。復(fù)雜滲流特別是在多重介質(zhì)，含有相變化學(xué)反應(yīng)的多相多組分，具有熱、固、液藕合作用的非牛頓流滲流將是在工程技術(shù)中遇到的關(guān)鍵問(wèn)題。隨著人類對(duì)健康或生態(tài)環(huán)境日益關(guān)心，牽涉生命、生理現(xiàn)象的生物體液在生物體內(nèi)的滲流問(wèn)題將成為滲流研究的熱點(diǎn)。細(xì)微觀實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，為滲流力學(xué)在加強(qiáng)細(xì)觀、微觀的研究，實(shí)現(xiàn)宏觀、細(xì)觀和微觀的結(jié)合，提供了基礎(chǔ)。考慮多孔介質(zhì)特別是地層多孔介質(zhì)的物理參數(shù)的隨機(jī)性、模糊性和滲流的混沌性，建立滲流模型，在滲流力學(xué)的研究體系中，將有重大發(fā)展。3）滲流力學(xué)研究手段將步入新階段。面臨著日益復(fù)雜的滲流力學(xué)問(wèn)題，力學(xué)的研究手段必須不斷改進(jìn)，無(wú)疑現(xiàn)代數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、地學(xué)、生物學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展將為滲流力學(xué)的理論發(fā)展提供許多機(jī)會(huì)?，F(xiàn)代測(cè)控技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)將促進(jìn)滲流實(shí)驗(yàn)手段的發(fā)展。而信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)大力促進(jìn)計(jì)算滲流力學(xué)的發(fā)展。大規(guī)模、高性能數(shù)字及智能算法，計(jì)算的可視化及虛擬仿真技術(shù)將大大提高滲流力學(xué)解決復(fù)雜實(shí)際問(wèn)題的能力。4.1細(xì)觀滲流的理論和實(shí)驗(yàn)研究細(xì)觀滲流研究多孔介質(zhì)顆粒尺度或孔隙、裂隙尺度的滲流問(wèn)題.傳統(tǒng)滲流是基于宏觀統(tǒng)計(jì)的Darcy定律.為了精細(xì)描述科研和生產(chǎn)中出現(xiàn)的新問(wèn)題，諸如低滲透、微機(jī)械和生物體內(nèi)滲流，傳統(tǒng)的方法己經(jīng)不能完全適應(yīng).計(jì)劃從實(shí)驗(yàn)觀察（例如通過(guò)加速器的輻射光源）出發(fā)，在弄清多孔介質(zhì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步了解流體在其中流動(dòng)的相關(guān)現(xiàn)象.結(jié)合Navier-Stokes方程建立起新的數(shù)學(xué)模型，尋找新的滲流規(guī)律.4.2分形滲流的理論研究及其工程應(yīng)用分形滲流是指流體在分形多孔介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng).它需要對(duì)介質(zhì)的細(xì)觀認(rèn)識(shí)，但更重要的是建立在分形理論的基礎(chǔ)上.由于天然多孔介質(zhì)大多都具有分形特性，因此分形滲流的研究有重要意義.在前階段對(duì)單相流體分形滲流取得初步研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究多相流體的分形滲流等.其工程應(yīng)用是指應(yīng)用于油氣田的開(kāi)發(fā)，特別是用于我國(guó)廣泛存在的低滲透油氣田的開(kāi)發(fā)，包括試井解釋和油藏?cái)?shù)值模擬，以及應(yīng)用于生物滲流和其他領(lǐng)域.4.3熱流固藕合滲流的研究從20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)際上熱流固藕合滲流問(wèn)題的研究受到高度重視.重要的誘因之一是高放射性廢物（簡(jiǎn)稱“高放廢物”）深地質(zhì)處置的需要.高放廢物主要是指從核電站反應(yīng)堆芯中替換出來(lái)的燃燒后的燃料棒（稱為“乏燃料”）以及核工業(yè)軍工方面在研制和生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的高放廢物.預(yù)計(jì)到2020年以后我國(guó)每年將卸下近千噸乏燃料.日前世界普遍接受的處置方法是深地質(zhì)處置.即在地質(zhì)條件穩(wěn)定、人口相對(duì)稀少、地下水位較高的地區(qū)距地表500-1000m深處的地質(zhì)體中構(gòu)筑高放廢物處置庫(kù)，將其拒之于生物圈的“大門”之外.這是世界性的重大課題也是世界性的難題.我國(guó)2003年頒布的《放射性污染防治法》明確了“我國(guó)高放廢物實(shí)施集中的深地質(zhì)處置”這一基本政策.處置庫(kù)的建設(shè)在其挖掘階段、運(yùn)營(yíng)階段和隔離階段都存在一系列的熱流固藕合問(wèn)題，并涉及一些化學(xué)變化和物理變化.在廢物罐于巖體之間填滿緩沖回填材料（一般是膨潤(rùn)土）.這里多復(fù)合介質(zhì)中緩沖材料有膨脹和收縮、巖體裂縫張開(kāi)和閉合、流體及溶質(zhì)有吸附和解吸、蒸發(fā)和冷卻、自然對(duì)溶等多種過(guò)程.重要的是要防止放射性核元素隨地下水滲流向生物圈輸運(yùn)，并目安全評(píng)估要計(jì)算到一萬(wàn)年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)程.這是復(fù)雜的滲流問(wèn)題.4.4生物流體力學(xué)人動(dòng)物、植物體內(nèi)，器官內(nèi)流體流動(dòng)和循環(huán)是在多種細(xì)微的管道體系中進(jìn)行的。生物滲流力學(xué)就是通過(guò)滲流力學(xué)與生物學(xué)、生理學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)林學(xué)交義滲透形成的。己取得了初步的基礎(chǔ)。通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明，如血、膽汁等生物流體的滲流不符合達(dá)西定律，日前的研究還只算是起步，但卻具有誘人的廣闊應(yīng)用前景。如能搞清動(dòng)物臟器中滲流流動(dòng)的規(guī)律，將推動(dòng)人工臟器，以致生命科學(xué)的發(fā)展。植物體內(nèi)的滲流流動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，如能得到一些解決，必將有益于植物方面的生物技術(shù)、生物工程的發(fā)展，促進(jìn)農(nóng)林業(yè)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善。還有煤層氣有關(guān)的滲流問(wèn)題，我國(guó)煤層氣資源量與天然氣的資源量大約相等，目前剛開(kāi)始進(jìn)行開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)研究。煤層氣大部分緊緊吸附于煤層的微孔的內(nèi)表面上，在煤孔隙中充滿水，瓦斯對(duì)煤骨架不僅有孔隙壓力作用產(chǎn)生的變形，而目煤層氣的吸附解析作用對(duì)煤介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系有重大影響，流固藕合滲流機(jī)理復(fù)雜。因而研究煤層氣開(kāi)采中的滲流問(wèn)題，既能解決我國(guó)天然氣資源不足，又能避免在煤炭開(kāi)采時(shí)將煤層氣排到大氣中污染環(huán)境，還可以減輕或避免瓦斯災(zāi)害的發(fā)生。因此，當(dāng)前迫切需要進(jìn)行煤層氣滲流問(wèn)題的研究。5結(jié)束語(yǔ)根據(jù)滲流理論本身發(fā)展的要求和各種工程實(shí)際問(wèn)題的需要，以及目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，在今后較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，滲流力學(xué)應(yīng)對(duì)以下幾方面進(jìn)行重點(diǎn)研究工作：深入的考慮固體介質(zhì)的性質(zhì)和特點(diǎn)；深入的考慮流體性質(zhì)的影響；(3)考慮溫度因素的影響；(4)深入的考慮復(fù)雜的物理過(guò)程和化學(xué)過(guò)程；從微觀的角度研究滲流力學(xué)，即微觀滲流力學(xué).參考文獻(xiàn)：孔祥言.高等滲流力學(xué)[M].合肥:中國(guó)科技大學(xué)出版社，1999.郭尚平.物理化學(xué)滲流微觀機(jī)理[M].北京:科學(xué)出版社，1