水力学渗流研究论文选题

这种现象非常复杂，流体力学现象至今仍然没有很完善统一的理论架构。现在可以从各种不同角度来解释你看到的现象。最容易联想到的是表面波现象，是水的波动现象。这是水在地心引力作用下，地心引力和惯性力共同作用的结果。对于这部分的理论解释，请参看《流体力学》教材的表面波部分，因为理论很复杂，所以不可能再这里讲得很详细。 2. 你看到的现象和湍流也有一定关系。目前判断是否是湍流，主要是根据雷诺数来判断。雷诺数的定义是惯性力与粘性力的比值，当雷诺数大于2300时，就是湍流。日常能看到的水流大多是湍流。 3. 你看到的现象还可以用稳定性理论来解释。因为单纯再重力作用下，水有可能保持稳定状态不产生波动。但是受到扰动后，稳定被破坏，就会产生波动。日常生活中免不了有各种各样的扰动，比如人为的晃动，风的作用等等，所以会使液体产生波动。 4. 牛奶属于非牛顿流体，黏性也比水大得多，所以会出现与水不太相同的现象。这些都可以通过《流体力学》得到部分的解释。 5. 我采用CFD软件也模拟过流体的流动现象，例如用fluent软件，你就可以模拟出水的波动，请参考《计算流体力学》教材，你可以证明这是符合流体力学原理了。 6. 当水从下面一个洞中流出时，还会因为地球自转的柯里奥利力的影响，产生旋转现象，这个现象在《理论力学》教材中有相关解释。

研究水和其他液体的运动规律及其与边界相互作用的学科。又称液体动力学。液体动力学和气体动力学组成流体动力学。液体动力学的主要研究内容如下：①理想液体运动。可忽略粘性的液体称为理想液体，边界层外的液体可视为理想液体，其运动符合理想流体运动规律。②粘性液体运动。分析大粘度液体(如润滑油)的流动状态、水流的能量损失、船舶的摩擦阻力、边界层和尾迹等都须考虑液体粘性。③空泡流。液体流经压强足够低的区域时，内部气化形成空泡，除空泡溃灭产生冲击，造成边壁材料剥蚀破坏外，还会形成空泡绕流现象。④多相流动，挟有固体颗粒、掺有气泡等物质的液体流动，如含沙水流、掺气水流等。⑤非牛顿流体流动。剪应力和剪切变形速率不成线性关系的液体（如加入高分子聚合物的水）的流动。⑥自由表面流动。流动液体的部分边界是液体和气体的分界面，其上的压力接近常数，明渠流、液体自由表面波、物体从空气进入水中时带入空气而形成的空泡流动等均属这种流动。⑦分层流。两层或多层密度不同的液体可形成分层流，密度差可由不同液体产生，也可由含盐、含沙量不同或温度不同所引起。⑧水弹性问题。在某些条件下，流过固壁的液体可引起边壁振动，这种振动又反过来改变流动特性；研究液体与弹性体相互作用的理论称为水弹性力学。水动力学既是一门基础理论学科，又是一门应用学科，主要用于水利水电工程、造船工程、海洋工程、近代水中武器、化工、环保工程、石油开采等领域。水动力学研究主要类型：按不同类型水流运动的特点主要分为下列几类：①有压管流。研究输送液体的各种管道的流量和沿管压强变化的计算，也包含流动瞬变时发生水击的分析。②明槽流。包括河渠中正常均匀流动；非均匀渐变流动，主要为水面线的分析；急变流动，如水跃现象等；非定常流动，如洪水计算等。③孔流。各种小孔口和喷嘴在压力水头下的出流以及水工中闸门大孔泄流的计算。④堰流。各种量水堰和溢流坝等水工建筑物的顶上过流的计算。⑤渗流。研究多孔介质中主要是地下土壤中的渗流运动规律，也包括地下水对建筑物基础的浮托力计算。⑥挟沙水流。研究挟带泥沙的河渠中浑水的流动规律，也包括物料输送管道的流动。⑦水力机械中的流动。主要为水轮机和水泵等叶轮机械中的流动特性。⑧波浪。研究各种水波的运动特性和波浪对建筑物的波压力。水动力学发展与理论基础：十八世纪初叶，经典水动力学有迅速的发展.欧拉、丹尼尔、伯努利是这一领域中杰出的先驱者。 十八世纪末和整个十九世纪，形成了两个相互独立的研究方向：一是运用数学分析的理论流体动力学；一是依靠实验的应用水力学。开尔文、瑞利、斯托克斯、兰姆等人的工作使理论水平达到相当的高度，而谢才、达西、巴赞、弗朗西斯、曼宁等人则在应用水力学方面进行了大量的实验研究，提出了各种实用的经验公式。十九世纪末，流体力学的发展扭转了研究工作中的经验主义倾向，这些发展是：雷诺理论及实验研究；雷诺的因次分析；弗劳德的船舶模型实验；空气动力学的迅速发展。二十世纪初的重要突破是普朗特的边界层理论，它把无粘性理论和粘性理论在边界层概念的基础上联系起来。二十世纪蓬勃发展的经济建设提出了越来越复杂的水力学问题：高浓度泥沙河流的治理；高水头水力发电的开发；输油干管的铺设；采油平台的建造；河流湖泊海港污染的防治等。使水力学的研究方向不断发展，从定床水力学转向动床水力学 ；从单向流动到多相流动；从牛顿流体规律到非牛顿流体规律；从流速分布到温度和污染物浓度分布；从一般水流到产生渗气、气蚀，引起振动的高速水流。以电子计算机应用为主要手段的计算水力学 也得到了相应的发展。水力学作为一门以实用为目的的学科将逐渐与流体力学合流。水动力学的研究方法：一、理论分析:经典力学的基本原理：牛顿的三大定律、动量定理、动能定理水流运动的基本方程式：连续性方程、能量方程、动量方程二、科学试验及测试方法1、原型观测2、模型试验3、系统试验4、数值模拟水动力学主要测试要素：1．流速与流向测量2．动水压力的测量3．水位和浪高的测量4．流量的测量5．掺气水流的测量6．空化水流的测量7．泥沙的测量8．水下地形的测量9．应力和应变的测量10．振动的测量这些问题明显可以使用搜索引擎搞定的，一般就不要在这里提问了，在谷歌，百度都可以搞定的。

（1）Darcy实验（稳定流）

法国水力工程师Henry Darcy（亨利·达西）在装有均质砂土滤料的圆柱形筒中做了大量的渗流实验（图1-2-1），于1856年得到渗流基本定律，后人称之为Darcy定律，其形式为

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图1-2-1 Darcy实验装置

式中：Q为渗透流量；A为渗流断面面积；H1、H2为1和2断面上的测压水头值；L为1和2两断面间的距离；J为水力坡度。圆筒中渗流属于均匀介质一维流动，渗流段内各点的水力坡度均相等；K为比例系数，称为砂土的渗透系数（也称水力传导系数）。Darcy定律的另一表达形式为

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式中：v为渗流速度，又称Darcy速度，量纲为［LT-1］。渗流速度与水力坡度成正比，所以称它为线性渗透定律，说明此时地下水的流动状态为层流。

若将Darcy定律用于二维或三维的地下水运动，则水力坡度不是常量，沿流向可以变大也可以变小（在节中详述），它应该用微分形式表示，即

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式中： 是沿流线任意点的水力坡度。在直角坐标系中可表示为

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（2）不稳定Darcy实验

Darcy实验是在定水头稳定流条件下进行的，那么在变水头条件下的不稳定渗流是否同样满足线性渗流定律呢？我们曾利用变水头渗流实验装置（图1-2-2），验证了Darcy线性定律同样适用于不稳定渗流（林敏，1982）。

根据Darcy定律，有

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式中：H（t）是随时间变化的水头差；l为砂柱的长度；A为砂柱的横断面积；Q（t）是随时间变化的流量。

在dt时段内，通过砂柱断面的水体积为

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按水均衡原理，通过砂柱断面的水体积为

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式中的负号表示随着通过砂柱断面水体积（V）的增加，水头（H）值在减小。由（1-2-6）式和（1-2-7）式得到

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则

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积分

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得

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则

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图1-2-2 不稳定Darcy实验装置（据林敏，1982）

图1-2-3 变水头渗流实验数据的t-lg H图（据林敏，1982）

由（1-2-8）式说明，如果不稳定渗流服从Darcy定律，则观测数据（t，H）在t-lg H坐标系中呈线性关系；否则呈非线性关系。反之，我们可根据实验曲线t-lg H的形态来判断渗流是否服从Darcy线性定律。图1-2-3表示遵循Darcy定律的一次实验数据。显然我们也可以通过不稳定渗流实验利用（1-2-8）式求得砂样的渗透系数值。

（3）渗透系数（水力传导系数）

由Darcy定律v＝KJ可知，渗透系数K是v与J间的比例常数，但我们必须了解它的物理意义。

渗透系数是一个极其重要的水文地质参数。它反映岩层的透水性能，是地下水计算中一个不可缺少的指标。那么渗透系数的大小取决于哪些因素呢？

我们做一个试验：在同样大小的水头差作用下，用油和水分别去渗透同一块土，尽管它们的水力坡度相等，然而，由于油的粘滞性大和容重小，使得两者的渗透流速不相等，即v油

下面通过两个简单的理想模型，来帮助我们从本质上理解渗透系数的概念（陈崇希，1966）。

水力学中曾得到：在层流条件下，圆管中过水断面的平均流速为

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式中：d为圆管的内直径；μ为液体的动力粘滞系数，μ＝ρν，ρ为液体的密度，ν为液体的运动粘滞系数；γ为液体的容重。

若把孔隙岩层的透水介质理想化，看成由一系列细小的圆管组成而保证其孔隙率不变（图1-2-4），则沿圆管方向的渗透流速为

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地下水在裂隙岩层中的运动，可以利用两平行板间液体的运动来对比。两平行板间的宽度可视为理想化的裂隙岩层的裂隙宽度。当液体做层流运动时，其平均流速为

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式中：B为两平行板的宽度。

图1-2-4 孔隙介质透水性理想模型（据陈崇希，1966）

图1-2-5 裂隙介质透水性理想模型（据陈崇希，1966）

若将一裂隙组想象成由一组等宽、平直的裂隙所组成（图1-2-5），则沿裂隙面方向的渗透流速为

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将（1-2-10）式和（1-2-12）式与线性渗透定律v＝KJ进行比较，得出下列结论（陈崇希，1966）：

1）上述（1-2-10）式和（1-2-12）式中，渗透流速和水力坡度都成正比关系。说明它们和Darcy定律的条件相同，都属于层流状态。

2）渗透系数K在孔隙岩层中有

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在裂隙岩层中有

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两式右端前面的因子表示透水岩层的空隙性，后面的因子表示液体的物理性质。从而进一步证明了这样一个结论：渗透系数的大小不仅取决于岩石的空隙性，而且与渗透液体的物理性质有关。

若以k表示纯粹由岩石空隙性所决定的渗透性能，则

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式中：k称为渗透率（也称渗透度）， 。它是不随液体的物理性质而变化的。显然，k的数值决定于空隙的大小（d、B）和空隙率（n），这是对上述理想化了的空隙介质而言。对实际的介质，k还与空隙形状、空隙的曲折性、连通性等有关。从上式可以看出：空隙的大小（d，B）对k起主要作用（因为它们是平方关系），而空隙率起次要作用。实际资料表明：粘土的孔隙率一般为50％～60％，但它的渗透率仅是粗砂土（孔隙率约为30％～40％）的～。这充分说明了上述结论的正确性。当然，这里还存在结合水几乎不参与流动的问题。

3）液体的物理性质对渗透系数的大小有直接的影响。它与γ成正比，与动力粘滞系数μ成反比。可以想象，若γ＝0（例如在失重的人造卫星上），即使有水头差，液体也不会运动；在其他条件相同的情况下，γ愈大则愈易流动。但若液体粘滞性愈大，则愈不易流动，例如油不如水容易流动。对于地下水来讲，γ和μ决定于水的矿化度、水温和压力等因素，其中温度对粘滞性μ的影响较大。例如：

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1泊＝·s。

由此可知，水温差10℃，K值差30％～40％。因此，在地下水温度变化较大的地区工作时，要十分重视液体的物理性质对渗透系数的影响。水文地质工作者在矿化度和地下水温差别不大的地区工作时，经常忽略水的物理性质对岩层透水性的影响，而用渗透系数K这个综合性参数来表征岩层的透水性能。

（4）线性定律的适用条件

许多研究者做了大量的实验，证实了线性定律有一定的适用范围。把在多孔介质中的地下水流按渗透流速由低到高划分为3种情况（表1-2-1）。

表1-2-1 Darcy定律适用范围

（据Bear，1972）

实验证明，仅当Re<10的条件下，通过多孔介质的流体做层流运动，渗流才满足Dar-cy定律，即渗透流速v和水力坡度J呈线性关系；当Re>10时，渗透流速和水力坡度呈曲线关系，Darcy定律不再适用（图1-2-6）。

由于不同流动状态下的地下水遵循不同的流动规律，所以确定渗流场内流动状态是属于层流还是紊流就显得十分重要。通常采用临界速度vc或临界雷诺数Re来判定。下边介绍两个常用的判别式。

对于孔隙岩层，应用前苏联学者.Πавловский（巴甫洛夫斯基）给出的公式：

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图1-2-6 渗流速度和水力坡度的实验关系曲线（据Bear，1972）

式中：νc为临界渗透流速；Re为临界雷诺数，对于同类结构的岩层，其值相同，一般取7～9；n为岩层空隙率；ν为液体运动粘滞系数；d0为土的有效直径 。

当vvc时，地下水呈紊流状态。实际资料说明，自然界孔隙岩层中的地下水运动基本上属于层流状态。我们以砾石层为例进行计算，若n＝，ν＝（当水温为10℃时），Re＝8，d0＝，则其临界速度为

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而自然界砾石层的渗透系数通常为500～1000m/d，即使水力坡度取1/100，据此计算的渗透流速也只为5～10m/d，远远小于上述临界速度。由此可得结论：在自然条件下，孔隙岩层中的地下水运动一般属于层流状态。

对于裂隙岩层，前苏联学者ЛомизеГ.М.（罗米捷，1951）在裂隙模型中做了大量实验，得到判别裂隙岩层流动状态的临界水力坡度Jc、裂隙宽度及裂隙相对粗糙度间关系的经验公式为

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式中：δ为裂隙宽度（图1-2-7），cm；α为裂隙相对粗糙度 ，e为裂隙绝对粗糙度，cm。

根据Ломизе经验公式，取不同的裂隙宽度δ和相对粗糙度α，计算得到的临界水力坡Jc列于表1-2-2。

表1-2-2 不同裂隙宽度δ和相对粗糙度α计算得到的临界水力坡度Jc （单位：cm）

（据陈崇希，1966）

自然界的裂隙岩层从整体裂隙系统来看，通常裂隙宽度在1～2mm以下，从表中查得临界水力坡度为14％～250％。显然，天然条件下的地下水水力坡度难以达到该数值。所以，可以认为裂隙含水介质中一般情况下的地下水运动也是呈层流状态。仅仅在宽裂隙和溶洞发育地区可以形成局部的紊流地段。

有些学者还研究了Darcy定律的下限问题。他们通过实验发现，某些粘性土存在起始水力坡度J0。实际水力坡度JJ0时，渗流才服从Darcy定律。

你看到的现象和湍流也有一定关系。目前判断是否是湍流，主要是根据雷诺数来判断。雷诺数的定义是惯性力与粘性力的比值，当雷诺数大于2300时，就是湍流。日常能看到的水流大多是湍流。 你看到的现象还可以用稳定性理论来解释。因为单纯再重力作用下，水有可能保持稳定状态不产生波动。但是受到扰动后，稳定被破坏，就会产生波动。日常生活中免不了有各种各样的扰动，比如人为的晃动，风的作用等等，所以会使液体产生波动。 牛奶属于非牛顿流体，黏性也比水大得多，所以会出现与水不太相同的现象。这些都可以通过《流体力学》得到部分的解释。 我采用CFD软件也模拟过流体的流动现象，例如用fluent软件，你就可以模拟出水的波动，请参考《计算流体力学》教材，你可以证明这是符合流体力学原理了。 当水从下面一个洞中流出时，还会因为地球自转的柯里奥利力的影响，产生旋转现象，这个现象在《理论力学》教材中有相关解释。 ——————————————————————————————————你很热爱生活呀，很有自己的想法，钦佩中……

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