滲流力學

在中國慣用的“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。由於滲流的理論和應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。隨著滲流理論和應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H.-P.-G.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，主要由於水的凈化、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應用。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、傅里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考慮多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。

由於滲流力學的應用範圍日益廣泛，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。

研究、實驗手段也逐步現代化。電子計算技術以及數值計算和數值模擬方法已較普遍使用。多相多維滲流、非等溫滲流和物理-化學滲流等方面的問題，一般都靠電子計算機幫助求解。隨著滲流問題複雜程度和難度的增大以及大容量計算機的出現，在滲流力學的較多領域內，電子計算機開始取代以相似理論為基礎的數學模擬設備。由於測微、速測等技術和物理模擬技術的改進，實驗過程自動控制和數據處理自動化的逐步推廣，滲流力學研究的重要手段之一的物理模擬也正在實現現代化。

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彙集，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。

二相液體滲流理論 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應用的人工注水開發油田技術的理論基礎。

非飽水土滲流理論 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合理開發的理論基礎。

滲流基本定律 描述流體在多孔介質內運動的基本規律，亦即滲流過程的宏觀統計規律。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。

應用 滲流力學應用比較成熟的方面首先是地下滲流，其次是工程滲流。

地下滲流研究地下多孔介質內的滲流規律及應用。涉及地下流體的開發工程、建設工程和農業工程等都要以滲流力學為資源儲量計算、工程規劃設計、生產動態預測和生產過程式控制制等工作的理論基礎和工作手段。石油、天然氣、地下熱能、地下水和地下化學流體等資源和能源的儲量計算、開發設計以及生產動態預測和控制，為保證水工建築正常工作並延長使用年限，為有效地防治土地沼澤化和鹽鹼化以及為合理地建設排灌工程等所需的計算和設計，城市地面沉降防治工程中的地下水控制開採和人工回灌措施的規劃設計、生產動態預測和生產過程式控制制，地下儲氣庫工程、核能工業污水和其他污水的地下處理工程的選址、設計和生產控制，岩鹽層地區建築工程和交通設施的設計和建設，煤礦開採工程的瓦斯和地下水處理的計算和設計以及地震預報等各項工作都要應用滲流力學的理論和方法。

工程滲流研究工程裝置和工程材料內的流體運動規律及應用。許多生產部門越來越普遍地使用各種類型的人造多孔材料和人造多孔介質充填的裝置，由於流體在其中的運動規律常常是不能忽視的問題，所以人造多孔介質內的滲流理論逐步發展。在較多工業部門，特別是化工部門，過濾常常是重要的生產環節，濾器多孔介質內的流動是滲流過程；鹽水淡化工程及濃縮分離技術中以半透膜為主體的多管多孔體系內存在複雜的滲流問題；石油煉製和化學工業等部門普遍使用的填充塔和固定床內存在複雜的滲流過程；磚、石、混凝土和木材等多孔性建築材料中存在水氣滲流及其與應力 -應變的關係等問題；為有效地測定和控制粉末冶金多孔材料的性能需要研究滲流問題；鑄造砂型內的氣體滲流對鑄造技術和鑄件質量有影響；科研部門常用的色譜分析裝置內的流體運動也是需要重視的滲流問題。工程滲流力學迄今已涉及化工、冶金、機械、建築、城市建設、環境保護、核能、鹽水淡化、染料和製糖等部門。