对达西定律的能量分析

1 序言地下水动力学的基本理论几乎都是建立在达西定律基础之上,达西定律即是渗透定律,而渗透则是指地下水在饱和的岩层中由于重力和压力的作用下从水头高处向水头低处的一种运动,这种运动正是能量的转换。世界上一切物体的运动都遵循着能量守恒这一普遍的自然规律,当然地下水的运动也毫不例外,所     

达西定律成立吗

目前在地下水渗流研究领域公认的是:当雷诺数Re<(1~10)时,达西线性定律是描述地下水渗流运动的最基本方程,地下水流动的数学问题都可以基于该线性方程而导出.通过对当年达西实验数据的再分析以及利用透水石孔隙介质进行的渗流实验发现:即使在雷诺数Re<(1~10)的条件下,地下水渗流也不服从达西线性定律,而是呈现出随着雷诺数的增大,水流阻力也在逐渐增大,孔隙介质中的地下水渗流服从非线性渗流规律.达西线性渗流定律只是对斜率变化不大的非线性渗流规律的近似表征.     

考虑浓度梯度作用的达西定律理论推导

普通达西定律仅能求解低浓度条件下水体的运动速度。在高浓度条件下,地下水的运动规律发生明显变化,运动方程必须重新推导。本文采用平均化方法,根据多孔介质的合理和必要的简化,通过求解液相组分宏观动量守恒方程,推导出高浓度条件下的达西定律。分析表明,修正式完善了水体运动的驱动力场,为解决沿海地区卤水入侵,岩盐沉积层中放射性核废物随地下水流的迁移,浅地表高浓度污水运移等环境水文地质问题提供了途径。     

高温差条件下达西定律的理论推导

高温差条件下,地下水体的运动规律发生明显变化,不能用传统Darcy定律(地下水运动方程)来描述.这是因为高温差的存在,对水体运动产生直接和间接两方面的影响.运用经典热力学理论,通过求解液相宏观动量守恒方程,推出了高温差条件下地下水的运动方程.这对于我国地热资源的开发利用、天然高温地下热水的运动规律研究等实际问题,具有重要的应用意义.     

基于非牛顿指数描述的非达西渗流一维固结分析

基于非牛顿指数描述的非达西渗流定律,同时考虑地基内部竖向附加应力随深度线性变化以及变荷载的影响,建立了一维固结控制方程并应用有限差分法进行数值求解,同时对不同参数单级加荷下的固结性状进行分析。结果表明：基于非达西渗流比达西渗流下固结速率要慢,且渗流模型中非牛顿指数越大,土层的固结速率越慢;土层厚度越厚,固结速率越慢,因此,传统固结理论中室内土样与地基土层之间的相似关系不再成立;作用于土层的平均附加应力越大,土层的固结速率越快;在单面排水情况下,附加应力分布对土层固结速率有较大影响;相反,双面排水条件下土层固结速率与附加应力的分布是无关的;荷载的加荷速率越快,则土层的固结速率越快。最后,讨论了达西渗流计算固结变形的适用范围。     

也论“单位涌水量就是导水系数”

针对所谓的井抽水流量公式,指出其在按达西定律进行推导时,过水断面的确定存在错误,不能反映抽水状态下井周侧进水的实际渗流状态。其公式中的补给半径及C值的确定无理论依据。由于水力性质不同,也不能以所谓的承压水抽水试验去验证温策尔所述内布拉斯加州潜水含水层抽水试验中的部分渗流现象。因此,“单位涌水量就是导水系数”的结论没有说服力。     

基于非牛顿指数渗流和分数阶Merchant模型的一维流变固结分析

为进一步深入分析饱和黏性土的一维流变固结机制,引入Koeller定义的弹壶元件修正Merchant模型,并以此描述土骨架的黏弹性变形行为;同时引入非牛顿指数渗流模型描述流变固结中的非达西渗流,推导出一个新的饱和黏性土一维流变固结方程,并用隐式有限差分法进行数值求解。通过与有关文献中退化模型结果的对比,验证了有限差分算法的有效性。在此基础上,分析非达西渗流模型参数以及分数阶Merchant流变模型参数对流变固结过程的影响。计算结果表明:分数导数阶数和黏滞系数对地基沉降的影响比对孔压消散的影响更为明显,且分数导数阶数越小或黏滞系数越大,地基沉降需要的时间越长。同时,比起达西渗流,非牛顿指数渗流会延缓地基中的孔压消散,使得沉降发展变慢。另外,考虑流变效应时地基沉降要慢于孔压的消散。     

考虑非达西渗流和应力历史的土体非线性固结研究

黏土在低水力坡降下偏离达西定律的现象及应力历史对土体变形的影响已为人们所认识,但能够同时考虑非达西渗流及应力历史影响的土体固结理论还很鲜见。在传统太沙基一维固结理论基础上,引入经典的Hansbo渗流模型,并考虑土体在不同应力状态下的变形特性,建立实际变荷载作用下土体的非线性固结模型。利用有限差分法对模型进行数值求解。在保证数值解可靠性的基础上,着重分析非达西渗流对超固结土固结性状的影响及非达西渗流下应力状态对固结性状的影响,并分析比较其异同点。结果表明:非达西渗流下超固结土的固结速率要比达西定律下慢,且随非达西渗流模型参数m、i_1值的增大,固结速率的减慢愈加明显;对考虑非达西渗流的不同应力状态土体而言,超固结土的固结速率最快,且超固结土在外荷载作用下产生的地基最终沉降值最小;对考虑非达西渗流的超固结土而言,前期固结压力越大、回弹再压缩指数越小,则土的固结速率越快,地基土的最终沉降值越小。     

温度和盐度分层流的数值模拟

以N-S方程和k-ε湍流模型为基础,针对水温和盐度分层流的流动特性,考虑了浮力对紊动的影响,建立了温度和盐度分层流的k-ε模型,对同时存在温度和盐度梯度的一类密度分层流进行了数值模拟计算,其中紊动平均量控制方程中的紊动项是由k-ε紊流模型计算,给出了速度、温度和盐度的分布。计算结果正确地反映了分层及紊动特征,与实测结果吻合较好。     

单位涌水量与渗透系数关系的探讨试验和应用

在钻井生产实践中,对取水井和降水井如何正确设计,稳定流和非稳定流计算方法,都无法给予很满意的解决.通过对单位涌水量与渗透系数之间关系的探讨试验初步发现:井抽水单位涌水量除以所利用含水层厚度等于含水层渗透系数.这一结果用于生产实践,可以通过科学计算解决对取水井和降水井的正确设计问题.     

非饱和流节点间导水率估计及达西平均分析

针对由Gardner-Russo函数描述的特征土壤,在双饱和度坐标系中,探讨了常规节点间导水率估计与量纲一水平达西平均(k*_H)和量纲一垂直达西平均(k*_V)的差异.k*_H是相邻两节点饱和度的函数,而k*_V也是空间步长(Δx)和特征参数(α)的函数.对水平非饱和流,算术平均高估导水率,而几何与调和平均低估导水率;从相对误差空间分布看,几何平均优于算术和调和平均.对垂直非饱和流,随Δx(或α)的增大,常规估计的相对误差空间顺(或逆)时针旋转并缩小,从而降低模型准确性.k*_H等值线具有对称性,而k*_V不具对称性;仅当Δx或α足够小时,k*_H才趋近于k*_V.因此,为提高非饱和流数值模拟的准确性,必须采用精确的达西平均来计算节点间导水率.     

Fluvial and submarine morphodynamics of laminar and near‐laminar flows: a synthesis

The interaction of flow with an erodible bed in alluvial rivers and deep‐sea channels gives rise to a wide range of self‐formed morphologies, including channels, ripples, dunes, antidunes, alternate bars, multiple‐row bars, meandering and braiding. As the flow is invariably turbulent in field manifestations of these morphologies, there has been a tendency to assume that turbulence is necessary for them to form. While turbulence undoubtedly has an important influence when it is present, it is not necessary for any of these features. Indeed, all of these features can be formed by the morphodynamic interaction of purely laminar or nearly laminar flow with an erodible bed. This paper provides a survey and synthesis of a wide range of laminar or near‐laminar flow analogues of morphologies observed in the field. Laminar‐flow analogues of turbulent‐flow morphologies cannot and should not be expected to satisfy dynamic similarity in terms of all relevant dimensionless parameters. What is of more significance is the convergence of the underlying physics. It is illustrated in this paper that many existing theoretical frameworks for the explanation of turbulent‐flow morphodynamics require only relatively minor modification in order to adapt them to laminar flows.     

宾汉钻井液圆管轴向层流压降的数值计算

在计算宾汉钻井液在钻具中的层流压降时,需要求解一个非线性方程,以往通常使用近似公式进行计算。对于求解这个非线性方程,提出了一个数值迭代算法,并对该算法的收敛性进行了证明,给出了最大迭代步数的上限值。理论分析和大量实际算例表明：本文算法具有非常稳定的收敛性和非常快的收敛速度,并且能够给出压降的精确计算值。     

应用地下水匀坡与加坡原理计算渗透系数

应用匀坡及加坡原理,推导出了单井（孔）稳定流承压完整井渗透系数的计算公式,该公式已考虑到无效降深对渗透系数计算的影响,同时在计算过程中充分利用了水位恢复资料,而水位恢复的过程也排除了一些干扰因素的影响,因此,参数计算结果应更接近实际。     

不同侧压力系数下裂隙网络岩体非线性渗流特性

基于人工裂隙网络模型,展开一系列不同边界荷载作用下含不同交叉点个数的裂隙网络渗流试验。针对所有试验工况,模型进水口水压力范围均为0～0.6 MPa,侧压力系数均由1.0增加至5.0。试验结果表明：裂隙网络体积流速和水力梯度之间的相关性可以通过Forchheimer函数进行拟合,拟合方程中线性和非线性项系数均随着侧压力系数的增加逐渐增大,而随着裂隙网络交叉点个数的增加逐渐减小;渗流试验过程中,非线性效应系数E和水力梯度J之间的相关性可采用一个幂指数函数进行描述,随着水力梯度的增加,非线性效应系数逐渐增大;随着侧压力系数的增加,裂隙网络临界水力梯度呈现逐渐增大的趋势,对于所有裂隙网络交叉点个数（1～12）,当侧压力系数由1.0增加至5.0,临界水力梯度由0.63～12.13增加至6.01～81.55;提出数学模型 对归一化导水系数 随水力梯度的增大而减小的特征进行分析,随着侧压力系数的增加,两者之间的拟合曲线逐渐上移,拟合系数 整体呈现逐渐增大的趋势。裂隙网络的等效渗透系数随侧压力系数的增加逐渐降低。     

不同坡度草地含沙水流水力学特性及其拦沙机理

参照黄土区侵蚀降雨和坡面片蚀产沙特征,采用恒流泥沙输送装置模拟坡面上方来水来沙,探讨不同坡度草地含沙水流的水力学特性及其对上方来沙的拦蓄机理。结果表明,草地坡面的水流弗劳德数随坡度增大而增加,而阻力系数与坡度呈反势。按明渠水流的一般标准,不同坡度草地水流均为层状缓流。草地坡面拦沙效应随坡度增大而减小,且径流前期的减沙作用较后期更为显著。不同坡度草地坡面的出流泥沙平均直径和大颗粒(>10μm)泥沙含量均显著小于上方来沙,这说明草地的拦沙效应主要体现在对大粒径泥沙的拦蓄上。     

基于地下水流场和含水介质分析的敦煌月牙泉成因研究

在分析月牙泉多年动态变化趋势的基础上,依据最新水文地质勘探资料和编绘的月牙泉周围年丰水期、枯水期地下水等水位线图,从地下水流场和含水介质的角度分析研究了月牙泉形成原因。月牙泉上游地下水基本呈自西南向东北径流,在地势低洼的沙漠丘间地带出露形成月牙泉;地下水补给来源为上游党河右岸黑山咀子东侧浅层地下潜水的侧向径流,黑山咀子至月牙泉之间的地下水水力坡度在丰水期为4. 813‰,枯水期为 4. 622‰;月牙泉泉水与周边地下水是统一的水力系统;月牙泉附近含水层是党河冲洪积层的连续的过渡关系,泉水出露形成是含水层与特殊地形地貌结合的产物。     

土石围堰中混凝土防渗墙设计方案的数值优化

土石围堰中防渗墙的结构对坝基渗流量及坝体稳定性具有重要的影响,因此优化防渗墙的尺寸十分有必要。本文以珠江流域某水利枢纽工程施工中的土石围堰为例,采用有限元法,对防渗墙的厚度和嵌入弱风化层基岩的深度进行了优化研究,分别模拟了有防渗墙和无防渗墙两种情况下围堰的防渗效果,共设计了33种计算方案。将坝基单宽渗流量、防渗墙后作用水头、防渗墙底部和坝脚溢出点的水力比降分别与其允许值进行了对比分析,提出了防渗墙的优化尺寸。研究结果表明：防渗墙厚度的变化对防渗效果影响较小;增大防渗墙的入岩深度,可以有效控制本围堰工程的单宽渗流量和防渗墙后作用水头;防渗墙底部水力比降的变化与防渗墙入岩深度有关,当入岩深度在0~8 m时,水力比降随入岩深度的增大而减小并呈先快后慢的趋势,当入岩深度在8~12 m时,水力比降随入岩深度的增大而增大,超过10 m时水力比降骤增。考虑经济因素和施工的方便性,满足防渗设计要求的防渗墙最优设计参数为厚度0.8 m、嵌入弱风化层基岩深度2 m。     

国产转盘钻机钻进系统改进研制

根据部队野战给水工程装备现状,研究改进国产转盘钻机钻进系统,介绍了其参数指标、改进原理、技术创新点及试用情况。     

等效水力隙宽和水力梯度对岩体裂隙网络非线性渗流特性的影响

等效水力隙宽和水力梯度是影响岩体裂隙网络渗流特性的重要因素。制作裂隙网络试验模型,建立高精度渗流试验系统;求解纳维-斯托克斯方程,模拟流体在裂隙网络内的流动状态,研究等效水力隙宽和水力梯度对非线性渗流特性的影响。结果表明,当水力梯度较小时,等效渗透系数保持恒定的常数,流体流动属于达西流动区域,流量与压力具有线性关系,可采用立方定律计算流体流动;当水力梯度较大时,等效渗透系数随着水力梯度的增加而急剧减少,流体流动进入强惯性效应流动区域,流量与压力具有强烈的非线性关系,可采用Forchheimer方程计算流体流动。随着等效水力隙宽的增加,区别线性和非线性流动区域的临界水力梯度呈幂函数关系递减。当水力梯度小于临界水力梯度时,控制方程可选立方定律;当水力梯度大于临界水力梯度时,控制方程可选Forchheimer方程,其参数A和B可根据经验公式计算得到。其研究结果可为临界水力梯度的确定及流体流动控制方程的选取提供借鉴意义。