渗流的基本定律
渗流场(flow field)由固体骨架和岩石空隙中的水两部分 组成。渗流只发生在岩石空隙中。
多孔介质概念与特性
我们把孔隙岩层称为多孔介质(porous media). •多孔介质特性:
彼此连通的网络，几何形态及连通情况异常复杂， 难以用精确的方法来描述。 由固体骨架和孔隙组成，孔隙通道是不连续的。
岩层按渗透性分类
同一点各方向上渗透性相同的介质称为各向同性介质(isotropy medium)； 同一点各方向上渗透性不同的介质称为各向异性介质(anisotropy medium) 。 均质(homogeneity)、非均质(inhomogeneity):指K于空间坐标的关系，即不同位置K是否相同； 各向同性、各向异性: 指同一点不同方向的K是否相同。
1
２-1.什么是典型体元
以孔隙为例来阐明：假设P是多孔介质中的一数学点(图1-附-2)，以P为形 心取一体积V，则依孔隙率的定义
其中：Vυ是V中的孔隙体积。 那么，V究竟取多大时，才能真正反映渗流场内各物理量的特征的呢？当V
取值由一个颗粒或一个孔隙体积而逐渐放大时，n值会因随机划进的颗粒或孔 隙体积而产生明显的波动，但随着V取值的增大，n值波动逐渐减小。当V值 取至某个体积V0时，孔隙率趋于某一平均值n时，此时的V0称为典型体元。
若再增大V，使其大于V0时，则有可能将P点外围的非均质区也划进来，这 显然不能表示P点的孔隙率，此时n值可能又产生明显的变化(图1-1-1)。以P 为中心的单元体V0中的孔隙体积，定义为P点的孔隙度。 同理，P点的其它物 理量，无论是标量还是矢量，也用P点为中心的典型单元体内该物理量的平均 值来定义。 这样，通过典型单元体，就能以假想的连续体代替实际的多孔介 质。
渗透系数的表达式
多孔介质（概化为等径的平行毛细管束）：
六、渗流分类 1.按运动要素(v,p,H)是否随时间变化，分：稳定流与非稳定流 2.按地下水质点运动状态的混杂程度，分：
层流、紊流与过渡区流态 3. 按地下水有无自由表面，分为：
承压流、无压流、承压—无压流 4. 按岩层透水性以及对地下水所起作用，分
三、变水头达西实验
非稳定流达西实验（实验一）： 水自上部加入，用溢水管保持稳定水位，下部用管口出流，可 通过它测定渗流量，用两根测压管来测量水头值。
达西定理：
实验结果： 在非稳定流条件下，地下水运动仍满足 线性渗流定律
达西定律适用条件 1.临界雷诺数Re（J. Bear)：
2.临界渗透流速vc（巴甫洛夫斯基）： 3.临界水力梯度Jc（罗米捷）： 4.达西定律下限问题（J0)
图1－1－4a 潜水含水层的压强与水头
2015/6/24
水力梯(坡)度
水力梯度I 为沿渗透途径水头损失与相应渗透途径长度的比值。 水在空隙中运动时，必须克服水与隙壁以及流动快慢不同的水 质点之间的摩擦阻力 （这种摩擦阻力随地下水流速增加而增 大） ，从而消耗机械能，造成水头损失。因此，水力梯度可 以理解为水流通过单位长度渗透途径为克服摩擦阻力所耗失的 机械能。从另一个角度，也可以将水力梯度理解为驱动力，即 克服摩擦阻力使水以一定速度流动的力量。既然机械能消耗于 渗透途径上，因此求算水力梯度I 时，水头差必须与相应的渗 透途径相对应。
§1.3 各向异性介质中地下水流的达西定律
1.渗透系数的张量表示式
1.达西定律的推广形式：
渗透系数张量的坐标轴转换
3. 渗透系数张量的坐标轴转换
K
xx
0
0
渗透主轴方向与所选x,y,z方向一致时 K 0 K yy 0
0
0
K
zz
H
v x K xx x
H v y K yy
以平面二维流问题为例：
vx K xx J x K xy J y v y K yx J x K yy J y
v K J v K J
cos
设R为旋转矩阵
R
sin
设R为旋转矩阵
v v
R
vx vy
J J
R
J J
x y
sin
cos
2015/6/24
地下水通过非均质界面的折射现象 定义：地下水在非均质岩层中运动，当水流通过渗透系数突变的 分界面时，出现流线改变方向的现象 1. 折射定理
1. 几点讨论： (1) 当K1≠K2，α1≠0,流线才会折射 (2)当K1=K2，α1= α2 (3) 只有在0< α1<90，才会折射 (4)在层界面上发生的流线折射并不改变地下水流总方向，总体 流向仍受边界条件和源汇等控制。
达西定律的应用条件 达西定律的上下限？
3
2015/6/24
1941年，Klinkenberg（克林伯格）第一次在石油行业中提出了多孔 介质的气体滑脱效应. 气体滑脱指气体在介质孔道流动中出现的近孔道壁面气体分子对壁面发生相 对运动的现象。
为常规的储层孔隙喉道，半径相对较大，流体在孔隙壁面 处的流速为零，经典的流动理论中，流体在多孔介质中的 流动时连续性理论成立。 图2-b为气体在纳米孔隙中的流动特征分子水平，连续性 理论不再成立，分子将会与孔隙壁面发生碰撞。并沿着壁 面间发生滑脱运动。在宏观上表现出气体在孔道壁面具有 非零速度
§1-2 渗流的基本定律—达西定律
1856 年，法国水力学家达西（H. Darcy）通过大量的实验，得 到线性渗透定律。根据实验结果，得到下列关系式：
式中：Q——渗透流量（出口处流量，即为 通过砂柱各断面的流量） ；
ω——过水断面（在实验中相当于砂柱 横断面积） ；
h——水头损失（ h =H1−H 2 ，即上下 游过水断面的水头差） ；
典型流网特征
各向异性介质中的流网
6
L——渗透途径（上下游过水断面的距 离） ；
I ——水力梯度（相当于h / L，即水头 差除以渗透途径） ；
K——渗透系数。 此即达西公式。
二、达西实验条件
稳定达西实验：得出渗透流速与水力坡度成正比即线性渗流定律，说 明此时地下水的流动状态呈层流。 实验条件：均匀介质，一维流动， 稳定流，层流。 是否适用：非均匀介质，二维或三维流动，非稳定 流，层流条件？
隔水层、含水层、透水层（弱透水层） 5. 按渗流速度在空间上变化的特点，分
一维流、二维流、三维流（见下页）
a. 一维流：仅沿一个方向存在流速 b. 二维流：沿两个方向存在分流速 分：平面二维流、剖面二维流） c. 三维流：
三个方向均存在分流速
z x
y
图 1-2-8a 一 维 流
岩层按渗透性分类
4
2015/6/24
因此，无论是固体骨架，还是空隙空间，微观上讲都不是连续函数
普通水流与渗流
共同点： 1.总体流向取决于水头差 2.流量取决于水头差及沿程损耗 区别：水在管道中运动取决于 管道大小、形状及粗糙度；渗流运动取决于空隙大小、形状、 连通性。
渗流特点
– 通道是曲折的，质点运动轨迹弯曲； – 流速是缓慢的，多数为层流； – 水流仅在空隙中运动，在整个多孔介质中不连续；
y
H vz K zz
z
渗透主轴方向与所选x,y,z方向不一致时，须进行坐标转换
以平面二维流问题为例：
vx K xx J x K xy J y v y K yx J x K yy J y
5
3. 渗透系数张量的坐标轴转换
渗透主轴方向与所选x,y,z方向不一致时，须进行坐标转换
2015/6/24
第一章 基本概念
重要知识点：
渗流、典型体元（REV） 地下水质点实际流速、空隙平均流速，达西流速及其关系 达西定律基本式，微分式，推广式及应用条件 渗透系数及其影响因素 渗流分类 均质、非均质，各向同性、各向异性区别 流网绘制
§1.1 渗流基本概念
地下水在岩石空隙中的运动称为渗流(seepage flow/ groundwater flow)。发生渗流的区域称为渗流场。
二、地下水实际流速、渗透流速
渗透流速——假想渗流的速度，是假想的平均流速。实际
流速在REV上的平均值。
地下水实际流速—质点流速在以P点为中心REV体积上的平均值 称为地下水在P点的实际流速。
2015/6/24
概化后的理想渗流
渗透流速与实际流速关系
渗透流速与实际流速关系
三、水头与水力坡度
2
潜水含水层压强与水头
– 通常是非稳定的； – 通常为缓变流。
一、典型体元
(Representative elementary volume)
在水力学中引进质点的概念，把水看成连续介质， 则可用连续函数描述运动要素。 为了把渗流场概化为多孔介质连续体，用连续函数 描述，引进典型体元的概念。
什么是典型体元呢？现以孔隙度为例来讨论。
多孔介质概念与特性
我们把孔隙岩层称为多孔介质(porous media). •多孔介质特性:
彼此连通的网络，几何形态及连通情况异常复杂， 难以用精确的方法来描述。 由固体骨架和孔隙组成，孔隙通道是不连续的。
岩层按渗透性分类
同一点各方向上渗透性相同的介质称为各向同性介质(isotropy medium)； 同一点各方向上渗透性不同的介质称为各向异性介质(anisotropy medium) 。 均质(homogeneity)、非均质(inhomogeneity):指K于空间坐标的关系，即不同位置K是否相同； 各向同性、各向异性: 指同一点不同方向的K是否相同。
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２-1.什么是典型体元
以孔隙为例来阐明：假设P是多孔介质中的一数学点(图1-附-2)，以P为形 心取一体积V，则依孔隙率的定义
其中：Vυ是V中的孔隙体积。 那么，V究竟取多大时，才能真正反映渗流场内各物理量的特征的呢？当V
取值由一个颗粒或一个孔隙体积而逐渐放大时，n值会因随机划进的颗粒或孔 隙体积而产生明显的波动，但随着V取值的增大，n值波动逐渐减小。当V值 取至某个体积V0时，孔隙率趋于某一平均值n时，此时的V0称为典型体元。
若再增大V，使其大于V0时，则有可能将P点外围的非均质区也划进来，这 显然不能表示P点的孔隙率，此时n值可能又产生明显的变化(图1-1-1)。以P 为中心的单元体V0中的孔隙体积，定义为P点的孔隙度。 同理，P点的其它物 理量，无论是标量还是矢量，也用P点为中心的典型单元体内该物理量的平均 值来定义。 这样，通过典型单元体，就能以假想的连续体代替实际的多孔介 质。
渗透系数的表达式
多孔介质（概化为等径的平行毛细管束）：
六、渗流分类 1.按运动要素(v,p,H)是否随时间变化，分：稳定流与非稳定流 2.按地下水质点运动状态的混杂程度，分：
层流、紊流与过渡区流态 3. 按地下水有无自由表面，分为：
承压流、无压流、承压—无压流 4. 按岩层透水性以及对地下水所起作用，分
三、变水头达西实验
非稳定流达西实验（实验一）： 水自上部加入，用溢水管保持稳定水位，下部用管口出流，可 通过它测定渗流量，用两根测压管来测量水头值。
达西定理：
实验结果： 在非稳定流条件下，地下水运动仍满足 线性渗流定律
达西定律适用条件 1.临界雷诺数Re（J. Bear)：
2.临界渗透流速vc（巴甫洛夫斯基）： 3.临界水力梯度Jc（罗米捷）： 4.达西定律下限问题（J0)
图1－1－4a 潜水含水层的压强与水头
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水力梯(坡)度
水力梯度I 为沿渗透途径水头损失与相应渗透途径长度的比值。 水在空隙中运动时，必须克服水与隙壁以及流动快慢不同的水 质点之间的摩擦阻力 （这种摩擦阻力随地下水流速增加而增 大） ，从而消耗机械能，造成水头损失。因此，水力梯度可 以理解为水流通过单位长度渗透途径为克服摩擦阻力所耗失的 机械能。从另一个角度，也可以将水力梯度理解为驱动力，即 克服摩擦阻力使水以一定速度流动的力量。既然机械能消耗于 渗透途径上，因此求算水力梯度I 时，水头差必须与相应的渗 透途径相对应。
§1.3 各向异性介质中地下水流的达西定律
1.渗透系数的张量表示式
1.达西定律的推广形式：
渗透系数张量的坐标轴转换
3. 渗透系数张量的坐标轴转换
K
xx
0
0
渗透主轴方向与所选x,y,z方向一致时 K 0 K yy 0
0
0
K
zz
H
v x K xx x
H v y K yy
以平面二维流问题为例：
vx K xx J x K xy J y v y K yx J x K yy J y
v K J v K J
cos
设R为旋转矩阵
R
sin
设R为旋转矩阵
v v
R
vx vy
J J
R
J J
x y
sin
cos
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地下水通过非均质界面的折射现象 定义：地下水在非均质岩层中运动，当水流通过渗透系数突变的 分界面时，出现流线改变方向的现象 1. 折射定理
1. 几点讨论： (1) 当K1≠K2，α1≠0,流线才会折射 (2)当K1=K2，α1= α2 (3) 只有在0< α1<90，才会折射 (4)在层界面上发生的流线折射并不改变地下水流总方向，总体 流向仍受边界条件和源汇等控制。
达西定律的应用条件 达西定律的上下限？
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1941年，Klinkenberg（克林伯格）第一次在石油行业中提出了多孔 介质的气体滑脱效应. 气体滑脱指气体在介质孔道流动中出现的近孔道壁面气体分子对壁面发生相 对运动的现象。
为常规的储层孔隙喉道，半径相对较大，流体在孔隙壁面 处的流速为零，经典的流动理论中，流体在多孔介质中的 流动时连续性理论成立。 图2-b为气体在纳米孔隙中的流动特征分子水平，连续性 理论不再成立，分子将会与孔隙壁面发生碰撞。并沿着壁 面间发生滑脱运动。在宏观上表现出气体在孔道壁面具有 非零速度
§1-2 渗流的基本定律—达西定律
1856 年，法国水力学家达西（H. Darcy）通过大量的实验，得 到线性渗透定律。根据实验结果，得到下列关系式：
式中：Q——渗透流量（出口处流量，即为 通过砂柱各断面的流量） ；
ω——过水断面（在实验中相当于砂柱 横断面积） ；
h——水头损失（ h =H1−H 2 ，即上下 游过水断面的水头差） ；
典型流网特征
各向异性介质中的流网
6
L——渗透途径（上下游过水断面的距 离） ；
I ——水力梯度（相当于h / L，即水头 差除以渗透途径） ；
K——渗透系数。 此即达西公式。
二、达西实验条件
稳定达西实验：得出渗透流速与水力坡度成正比即线性渗流定律，说 明此时地下水的流动状态呈层流。 实验条件：均匀介质，一维流动， 稳定流，层流。 是否适用：非均匀介质，二维或三维流动，非稳定 流，层流条件？
隔水层、含水层、透水层（弱透水层） 5. 按渗流速度在空间上变化的特点，分
一维流、二维流、三维流（见下页）
a. 一维流：仅沿一个方向存在流速 b. 二维流：沿两个方向存在分流速 分：平面二维流、剖面二维流） c. 三维流：
三个方向均存在分流速
z x
y
图 1-2-8a 一 维 流
岩层按渗透性分类
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2015/6/24
因此，无论是固体骨架，还是空隙空间，微观上讲都不是连续函数
普通水流与渗流
共同点： 1.总体流向取决于水头差 2.流量取决于水头差及沿程损耗 区别：水在管道中运动取决于 管道大小、形状及粗糙度；渗流运动取决于空隙大小、形状、 连通性。
渗流特点
– 通道是曲折的，质点运动轨迹弯曲； – 流速是缓慢的，多数为层流； – 水流仅在空隙中运动，在整个多孔介质中不连续；
y
H vz K zz
z
渗透主轴方向与所选x,y,z方向不一致时，须进行坐标转换
以平面二维流问题为例：
vx K xx J x K xy J y v y K yx J x K yy J y
5
3. 渗透系数张量的坐标轴转换
渗透主轴方向与所选x,y,z方向不一致时，须进行坐标转换
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第一章 基本概念
重要知识点：
渗流、典型体元（REV） 地下水质点实际流速、空隙平均流速，达西流速及其关系 达西定律基本式，微分式，推广式及应用条件 渗透系数及其影响因素 渗流分类 均质、非均质，各向同性、各向异性区别 流网绘制
§1.1 渗流基本概念
地下水在岩石空隙中的运动称为渗流(seepage flow/ groundwater flow)。发生渗流的区域称为渗流场。
二、地下水实际流速、渗透流速
渗透流速——假想渗流的速度，是假想的平均流速。实际
流速在REV上的平均值。
地下水实际流速—质点流速在以P点为中心REV体积上的平均值 称为地下水在P点的实际流速。
2015/6/24
概化后的理想渗流
渗透流速与实际流速关系
渗透流速与实际流速关系
三、水头与水力坡度
2
潜水含水层压强与水头
– 通常是非稳定的； – 通常为缓变流。
一、典型体元
(Representative elementary volume)
在水力学中引进质点的概念，把水看成连续介质， 则可用连续函数描述运动要素。 为了把渗流场概化为多孔介质连续体，用连续函数 描述，引进典型体元的概念。
什么是典型体元呢？现以孔隙度为例来讨论。
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地下水动力学(第一章 渗流理论基础-2-专)
(1) 对一给定的流线，流函数是常数。不同的流 线有不同的常数值。流函数决定于流线。 (2) 在平面运动中，两流线间的流量等于和这两 条流线相应的两个流函数的差值。 (3) 在均质各向同性介质中，流函数满足Laplace 方程；其他情况下均不满足Laplace方程。 (4) 在非稳定流中，流线不断地变化，只能给出 某一瞬时的流线图。因此，只有对不可压缩的液体 的稳定流动，流线才有实际意义。
∂2H ∂2ψ ∂2H ∂2ψ −K = ; −K =− 2 ∂x∂y ∂y2 ∂y∂x ∂x
二、流网及其性质
流网：在渗流场内，取一组流线和一组等势线 组成的网格。 流网的性质： 流网的性质： 1. 在各向同性介质中，流线与等势线处处垂直， 故流网为正交网格。 证明：等水头线和流线的梯度为：
gradH = ∇H = ∂H ∂H i+ j ∂x ∂y
一般地下水流都为Darcy流。 思考题
§1—3 岩层透水特征分类和渗透系数张量 一、岩层透水特征分类 据岩层透水性随空间坐标的变化情况，将岩层 分为均质的和非均质的两类。 均质岩层：在渗流场中，所有点都具有相同的 渗透系数。 非均质岩层：在渗流场中，不同点具有不同的 渗透系数。 非均质岩层有两种类型：一类透水性是渐变的， 另一类透水性是突变的。 均质、非均质:指 与空间坐标的关系 与空间坐标的关系， 均质、非均质 指K与空间坐标的关系，即不同位 是否相同； 置K是否相同； 是否相同
K1M1 + K2M2 M1 + M2 Kp − Kv = − M1 M2 M1 + M2 + K1 K2 M1M2 = >0 (K1M1 + K2M2 )(M1 + M2 )
(K1 − K2 )
2
∂2H ∂2ψ ∂2H ∂2ψ −K = ; −K =− 2 ∂x∂y ∂y2 ∂y∂x ∂x
二、流网及其性质
流网：在渗流场内，取一组流线和一组等势线 组成的网格。 流网的性质： 流网的性质： 1. 在各向同性介质中，流线与等势线处处垂直， 故流网为正交网格。 证明：等水头线和流线的梯度为：
gradH = ∇H = ∂H ∂H i+ j ∂x ∂y
一般地下水流都为Darcy流。 思考题
§1—3 岩层透水特征分类和渗透系数张量 一、岩层透水特征分类 据岩层透水性随空间坐标的变化情况，将岩层 分为均质的和非均质的两类。 均质岩层：在渗流场中，所有点都具有相同的 渗透系数。 非均质岩层：在渗流场中，不同点具有不同的 渗透系数。 非均质岩层有两种类型：一类透水性是渐变的， 另一类透水性是突变的。 均质、非均质:指 与空间坐标的关系 与空间坐标的关系， 均质、非均质 指K与空间坐标的关系，即不同位 是否相同； 置K是否相同； 是否相同
K1M1 + K2M2 M1 + M2 Kp − Kv = − M1 M2 M1 + M2 + K1 K2 M1M2 = >0 (K1M1 + K2M2 )(M1 + M2 )
(K1 − K2 )
2
渗流的基本定律(达西定律)
建立实验装置
根据实验需求，设计并建立渗流装置，包括渗流管、压力源、流量 计等。
设定实验条件
设定恒定的水头压力、流量等实验条件，确保实验数据的准确性和 可靠性。
实验结果分析
01
02
03
数据记录
详细记录实验过程中的水 头压力、流量等数据，并 确保数据的准确性和完整 性。
数据处理
对实验数据进行整理、分 析和处理，绘制水头压力 与流量之间的关系曲线。
达西定律的发现可以追溯到19世纪初，由法国工程师达西通 过实验观察到流体在砂质土壤中的流动规律，并提出了该定 律。
达西定律的概述
达西定律描述了流体在多孔介质中的流动速度与压力梯度 之间的关系。具体来说，当流体在多孔介质中流动时，流 速与作用在流体上的压力梯度成正比，同时与介质的渗透 系数有关。
达西定律的数学表达式为：v = -K * grad(p)，其中v是流速， K是介质的渗透系数，grad(p)是压力梯度。该公式表明流速 与压力梯度成正比，与渗透系数成反比。
达西定律与实际渗流过程的联系
01
达西定律是描述均匀、定常、不可压缩流体在多孔介质中稳态 流动的基本定律。
02
它指出，在一定条件下，流体的流量与压力梯度成正比，与介
质孔隙的阻力成反比。
达西定律适用于小孔径、低流速、高孔隙度、均质的多孔介质。
03
达西定律的局限性
1
达西定律不适用于非均匀、非定常、非线性流动， 以及大孔径、高流速、低孔隙度、非均质的多孔 介质。
渗流的基本定律（达西定律）
目录
• 引言 • 达西定律的数学表达 • 达西定律的物理意义 • 达西定律的实验验证 • 达西定律的应用实例 • 达西定律的发展与展望
01 引言
根据实验需求，设计并建立渗流装置，包括渗流管、压力源、流量 计等。
设定实验条件
设定恒定的水头压力、流量等实验条件，确保实验数据的准确性和 可靠性。
实验结果分析
01
02
03
数据记录
详细记录实验过程中的水 头压力、流量等数据，并 确保数据的准确性和完整 性。
数据处理
对实验数据进行整理、分 析和处理，绘制水头压力 与流量之间的关系曲线。
达西定律的发现可以追溯到19世纪初，由法国工程师达西通 过实验观察到流体在砂质土壤中的流动规律，并提出了该定 律。
达西定律的概述
达西定律描述了流体在多孔介质中的流动速度与压力梯度 之间的关系。具体来说，当流体在多孔介质中流动时，流 速与作用在流体上的压力梯度成正比，同时与介质的渗透 系数有关。
达西定律的数学表达式为：v = -K * grad(p)，其中v是流速， K是介质的渗透系数，grad(p)是压力梯度。该公式表明流速 与压力梯度成正比，与渗透系数成反比。
达西定律与实际渗流过程的联系
01
达西定律是描述均匀、定常、不可压缩流体在多孔介质中稳态 流动的基本定律。
02
它指出，在一定条件下，流体的流量与压力梯度成正比，与介
质孔隙的阻力成反比。
达西定律适用于小孔径、低流速、高孔隙度、均质的多孔介质。
03
达西定律的局限性
1
达西定律不适用于非均匀、非定常、非线性流动， 以及大孔径、高流速、低孔隙度、非均质的多孔 介质。
渗流的基本定律（达西定律）
目录
• 引言 • 达西定律的数学表达 • 达西定律的物理意义 • 达西定律的实验验证 • 达西定律的应用实例 • 达西定律的发展与展望
01 引言
渗流力学 第一章 渗流基本概念和定律
2）有效渗透率Ko、Kw、Kg：岩石中同时有两种或以上的流 体流动，则岩石对其中一相的通过能力。是饱和度的函数。
3）相对渗透率Krw、Kro：多相同时流动时，相渗透率与绝对 渗透率的比值。
3、大的比面
多孔介质比面很大，使得流体流动时粘滞阻力很大。
多孔介质的分类：
1）单纯介质：由孔隙或纯裂缝组成，渗流形式简单。
1、孔隙性
储层岩石具有孔隙性，并被流体所充满，孔隙性大小用孔隙
度表示：
a
Vt V
Φa—绝对孔隙度；Φ—有效孔隙度；
V0 V
V—岩石视体积；Vt—岩石总孔隙体积； V0—岩石有效孔隙体积。
2、渗透性
多孔介质让流体通过的性质，叫渗透性。渗透性的大小用渗透 率表示。
1）绝对渗透率K：岩石孔隙中液体为一相时，岩石允许流体 通过的能力。绝对渗透率只与岩石本身性质有关。
二、渗流的分类
1）地下渗流：存在于地层中，如油气水在地层中的流动； 2）工程渗流：化工、冶金、环保中的渗流问题； 3）生物渗流：动物和植物中的渗流问题。
三、渗流力学的发展（地下渗流）
1、古典渗流力学： 1920年以前 动因：开发利用地下水； 代表：法国水利工程师达西（Darcy）； 定律：达西定律（Darcy’s Law，1856）。
F—内摩擦力（粘滞力），N； μ—粘滞系数（又称绝对粘度），Pa·s。
• 粘度单位通常用mPa·s表示： 1Pa·s＝103mPa·s
• 粘度单位以g／(cm·S)表示时称为“泊”： 1泊＝100厘泊（cP）
• cP与mPa·s的换算关系为： 1mPa·s＝lcP
• 在渗流中，粘滞力为阻力，且动力消耗主要用于渗流 时克服流体粘滞阻力。
1.2 渗流中的力学分析及驱动类型
3）相对渗透率Krw、Kro：多相同时流动时，相渗透率与绝对 渗透率的比值。
3、大的比面
多孔介质比面很大，使得流体流动时粘滞阻力很大。
多孔介质的分类：
1）单纯介质：由孔隙或纯裂缝组成，渗流形式简单。
1、孔隙性
储层岩石具有孔隙性，并被流体所充满，孔隙性大小用孔隙
度表示：
a
Vt V
Φa—绝对孔隙度；Φ—有效孔隙度；
V0 V
V—岩石视体积；Vt—岩石总孔隙体积； V0—岩石有效孔隙体积。
2、渗透性
多孔介质让流体通过的性质，叫渗透性。渗透性的大小用渗透 率表示。
1）绝对渗透率K：岩石孔隙中液体为一相时，岩石允许流体 通过的能力。绝对渗透率只与岩石本身性质有关。
二、渗流的分类
1）地下渗流：存在于地层中，如油气水在地层中的流动； 2）工程渗流：化工、冶金、环保中的渗流问题； 3）生物渗流：动物和植物中的渗流问题。
三、渗流力学的发展（地下渗流）
1、古典渗流力学： 1920年以前 动因：开发利用地下水； 代表：法国水利工程师达西（Darcy）； 定律：达西定律（Darcy’s Law，1856）。
F—内摩擦力（粘滞力），N； μ—粘滞系数（又称绝对粘度），Pa·s。
• 粘度单位通常用mPa·s表示： 1Pa·s＝103mPa·s
• 粘度单位以g／(cm·S)表示时称为“泊”： 1泊＝100厘泊（cP）
• cP与mPa·s的换算关系为： 1mPa·s＝lcP
• 在渗流中，粘滞力为阻力，且动力消耗主要用于渗流 时克服流体粘滞阻力。
1.2 渗流中的力学分析及驱动类型
渗流的基本定律(达西定律)
岩层按渗透性分类
同一点各方向上渗透性相同的介质称为各向同性
介质(isotropy medium)；
同一点各方向上渗透性不同的介质称为各向异性 介质(anisotropy medium) 。 均质(homogeneity)、非均质(inhomogeneity): 指K于空间坐标的关系，即不同位置K是否相同； 各向同性、各向异性: 指同一点不同方向的K是否 相同。
2.1912年克拉斯诺波里斯基提出紊流公式：
四、达西定律的微分形式
微分形式：
渗水力梯度I 是无因次的，故渗 透系数K的因次与渗透流速V 相同。一般采用 m/d 或 cm/s 为单位。令 I = 1 ，则V =K 。意即渗透系数为水力梯度等
于 1 时的渗透流速。水力梯度为定值时，渗透系数愈大。
地下水通过非均质界面的折射现象
定义：地下水在非均质岩层中运动，当水流通过渗透系数突变的
分界面时，出现流线改变方向的现象 1. 折射定理
1. 几点讨论： (1) 当K1≠K2，α1≠0,流线才会折射 (2)当K1=K2，α1= α2 (3) 只有在0< α1<90，才会折射
(4)在层界面上发生的流线折射并不改变地下水流总方向，总体
多孔介质概念与特性
我们把孔隙岩层称为多孔介质(porous media). •多孔介质特性: 彼此连通的网络，几何形态及连通情况异常复杂， 难以用精确的方法来描述。 由固体骨架和孔隙组成，孔隙通道是不连续的。
因此，无论是固体骨架，还是空隙空间，微观上讲都不是连续函数
普通水流与渗流
共同点： 1.总体流向取决于水头差 2.流量取决于水头差及沿程损耗 区别：水在管道中运动取决于 管道大小、形状及粗糙度；渗流运动取决于空隙大小、形状、 连通性。
渗 流
由此可见，达西定律有一定的适用范围。不过，大多数
工程中的渗流问题均可用达西渗流定律来解决。
Q
B
1
1
l
2 C
2 T
0
hw h1
H1 H2
V 0
渗流
1.2 渗流基本定律
【例6-2】在实验室用达西实验装置测定土样的渗透系数k。圆筒直径d=20cm，土 层厚度l=40cm，通过实验测的渗透流量Q=100ml/min，其测压管水头差△h=20cm， 求该土样的渗透系数k。（实验符合达西线性定律）
而水在孔隙中的实际平均速度为
Q A
（6-7）
Q A 1
式由中于n△—土A—壤’—土孔—壤隙△孔度A隙n＜中度1孔，，隙n所面以AA积渗；1流A速度A小 于n土壤孔隙中的实际速度。
引入渗流模型后，可将渗流场中的水流看作是连续介质的运动，因此，以前关于
流体运动的各种概念均可应用于渗流。
渗流
Q
B
1
1
l
2 C
2 T
0
hw h1
H1 H2
V 0
渗流
1.2 渗流基本定律
由于渗流不计流速水头，实际测量的测压管水头差 即为两断面之间的水头损失，即
水力坡度
hl H1 H2
J hl H1 H2
l
l
Q B 1
1 hw h1
l
2 C
2 T
0
H1
H2
V 0
渗流
1.2 渗流基本定律
达西根据实验数据发现，圆筒内的渗流量Q与过流
【解】渗透流量 Q 100mL / min 0.1103 =1.67 10-6m3 / s 60
实验符合达西线性定律，所以
渗流的基本定律(达西定律)
影响渗透系数大小的因素
f(孔隙大小 多少、液体性质) 孔隙大小、 K= f(孔隙大小、多少、液体性质) 岩层空隙性质（孔隙大小、多少） 岩层空隙性质（孔隙大小、多少） 由流体的物理性质决定, 由流体的物理性质决定,与γ成正比，与μ成 成正比， 反比.流体的物理性质与所处的温度、压力有关。 反比.流体的物理性质与所处的温度、压力有关。
vx = Kxx Jx + Kxy Jy vy = Kyx Jx + Kyy Jy
v = Kε Jε ε ε v = K η Jη η η
si θ n co θ s
o c sθ 设R为旋转矩阵 R = −si θ n
设R为旋转矩阵
vx v ε =[R ] v η vy Jx Jε =[R ] J η Jy
多孔介质概念与特性
我们把孔隙岩层称为多孔介质(porous media). 我们把孔隙岩层称为多孔介质 •多孔介质特性 多孔介质特性: 多孔介质特性 8彼此连通的网络，几何形态及连通情况异常复杂， 彼此连通的网络，几何形态及连通情况异常复杂， 彼此连通的网络 难以用精确的方法来描述。 难以用精确的方法来描述。 8由固体骨架和孔隙组成，孔隙通道是不连续的。 由固体骨架和孔隙组成，孔隙通道是不连续的。 由固体骨架和孔隙组成
z
a. 一维流：仅沿一个方向存在流速 一维流： b. 二维流：沿两个方向存在分流速 二维流： 分：平面二维流、剖面二维流） 平面二维流、剖面二维流） c. 三维流： 三维流： 三个方向均存在分流速
图 1-2-8a
x y
一维流
岩层按渗透性分类
6. 按岩层渗透性随空间和方向变化特点，分 均质各向同性、均质各向异性、 均质各向同性、均质各向异性、 非均质各向同性、 非均质各向同性、非均质各向异性 几个概念： 各向同性、各向异性、均质、非均质
渗流力学达西定律公式
渗流力学达西定律公式摘要：一、渗流力学的背景与意义1.渗流力学的定义2.渗流力学在实际生活中的应用二、达西定律的概念与公式1.达西定律的定义2.达西定律的数学表达式三、达西定律在渗流力学中的应用1.地下水资源的开发与利用2.土壤污染物的传输与扩散3.水利工程的设计与分析四、达西定律与其他渗流力学定律的关系1.达西定律与奈尔定律的关联2.达西定律与其他渗流力学定律的比较五、渗流力学的发展趋势与挑战1.新技术在渗流力学研究中的应用2.渗流力学在可持续发展中的作用3.渗流力学面临的挑战与未来研究方向正文：渗流力学是研究流体在多孔介质中运动规律的学科，具有重要的理论和实际意义。
在众多渗流力学定律中，达西定律是最基本且应用最广泛的定律之一。
达西定律是由法国科学家亨利·达西在19世纪提出的，它描述了流体在多孔介质中渗流的速度与压力梯度之间的关系。
达西定律的数学表达式为：Q = KiA，其中Q表示渗流量，K表示渗透系数，i表示压力梯度，A表示渗流面积。
达西定律在渗流力学领域具有广泛的应用。
首先，在地下水资源开发方面，通过研究达西定律，可以预测地下水的涌出量，为水资源的开采提供科学依据。
其次，在土壤污染物传输方面，达西定律为研究污染物在土壤中的扩散过程提供了理论依据。
此外，在水利工程设计中，达西定律也发挥着重要作用，如分析水库的渗流稳定性等。
达西定律与其他渗流力学定律，如奈尔定律等，存在密切的关联。
奈尔定律是描述流体在多孔介质中渗流速度与流体性质之间的关系，与达西定律一起构成了渗流力学的基本理论体系。
随着科学技术的进步，渗流力学在可持续发展、环境保护等领域的作用日益凸显。
未来，渗流力学将面临诸多挑战，如多相流体渗流、非达西渗流等问题。
同时，新技术如数值模拟、实验技术等在渗流力学研究中的应用将为解决这些问题提供新的思路和方法。
总之，渗流力学作为一门研究流体在多孔介质中运动的学科，具有重要的理论价值和实践意义。
渗流的基本定律(达西定律)ppt课件
15
§1-2 渗流的基本定律—达西定律
1856 年，法国水力学家达西(H. Darcy)通过大量的实验，得 到线性渗透定律。根据实验结果，得到下列关系式：
式中： Q——渗透流量(出口处流量，即为 通过砂柱各断面的流量) ；
ω——过水断面(在实验中相当于砂柱 横断面积) ；
h——水头损失( h =H1 −H 2 ，即上下 游过水断面的水头差) ；
L— — 渗 透 途 径 ( 上 下 游 过 水 断 面 的 距 离) ；
I ——水力梯度(相当于h / L，即水头 差除以渗透途径) ；
K——渗透系数。 此即达西公式。
16
二、达西实验条件
l 稳定达西实验：得出渗透流速与水力坡度成 正比即线性渗流定律，说明此时地下水的流 动状态呈层流。
l 实验条件：均匀介质，一维流动，稳定流， 层流。
36
典型流网特征
37
各向异性介质中的流网
38
22
渗透系数K
从达西定律V = KI可以看出。水力梯度I 是无因次的，故渗 透系数K的因次与渗透流速V 相同。一般采用 m/d 或 cm/s 为单位。令 I = 1 ，则V =K 。意即渗透系数为水力梯度等 于 1 时的渗透流速。水力梯度为定值时，渗透系数愈大。 渗透流速就愈大；渗透流速为一定值时，渗透系数愈大， 水力梯度愈小。由此可见，渗透系数可定量说明岩石的渗 透性能。渗透系数愈大，岩石的透水能力愈强。
31
小结
– 上述分类标准不同，无从属关系，可以 组合
– 均质与非均质，各向同性与各向异性概 念容易混淆
– 各向同性K为标量，各向异性K为张量 – 各向同性流场， J与v共线 – 各向异性流场， J与v一般不共线
32
§1-2 渗流的基本定律—达西定律
1856 年，法国水力学家达西(H. Darcy)通过大量的实验，得 到线性渗透定律。根据实验结果，得到下列关系式：
式中： Q——渗透流量(出口处流量，即为 通过砂柱各断面的流量) ；
ω——过水断面(在实验中相当于砂柱 横断面积) ；
h——水头损失( h =H1 −H 2 ，即上下 游过水断面的水头差) ；
L— — 渗 透 途 径 ( 上 下 游 过 水 断 面 的 距 离) ；
I ——水力梯度(相当于h / L，即水头 差除以渗透途径) ；
K——渗透系数。 此即达西公式。
16
二、达西实验条件
l 稳定达西实验：得出渗透流速与水力坡度成 正比即线性渗流定律，说明此时地下水的流 动状态呈层流。
l 实验条件：均匀介质，一维流动，稳定流， 层流。
36
典型流网特征
37
各向异性介质中的流网
38
22
渗透系数K
从达西定律V = KI可以看出。水力梯度I 是无因次的，故渗 透系数K的因次与渗透流速V 相同。一般采用 m/d 或 cm/s 为单位。令 I = 1 ，则V =K 。意即渗透系数为水力梯度等 于 1 时的渗透流速。水力梯度为定值时，渗透系数愈大。 渗透流速就愈大；渗透流速为一定值时，渗透系数愈大， 水力梯度愈小。由此可见，渗透系数可定量说明岩石的渗 透性能。渗透系数愈大，岩石的透水能力愈强。
31
小结
– 上述分类标准不同，无从属关系，可以 组合
– 均质与非均质，各向同性与各向异性概 念容易混淆
– 各向同性K为标量，各向异性K为张量 – 各向同性流场， J与v共线 – 各向异性流场， J与v一般不共线
32
第1章渗流理论基础
25
1.1 渗流的基本概念
1.1.5 渗流速度
渗流是充满整个岩石截面的假想水流。在垂直于 渗流方向取的一个岩石截面，称为过水断面。 地下水的过水断面是整个岩石截面，既包括空隙 面积也包括固体颗粒所占据的面积。
当渗流平行流动时，过水断面为平面，弯曲流动
时则为曲面（图1-6 ）。
26
1.1 渗流的基本概念
22
1.1 渗流的基本概念
实际的地下水流仅存在于空隙空间。为了便于研
究，用一种假想水流来代替真实的地下水流。这 种假想水流的性质（如密度、粘滞性等）和真实 地下水相同；但它充满了既包括含水层空隙的空 间，也包括岩石颗粒所占据的空间。
23
1.1 渗流的基本概念
假想水流运动时，满足以下条件：
3
1.1 渗流的基本概念
1.1.1 地下水在含水岩石中的运动
在地下水动力学中，把具有孔隙的岩石称为多孔介质。 含有孔隙水的岩层，如砂层或疏松砂岩等称为孔隙介质， 也称多孔介质。 含裂隙水的岩石，如裂隙发育的石英岩、花岗岩等称为裂 隙介质。 广义地说，可以把孔隙介质、裂隙介质和某些岩溶不十分 发育的由石灰岩和白云岩组成的介质都称为多孔介质。
渗透速度，比流量）为：
Q A
渗流速度代表渗流在过水断面上的平均流速。它不代表任 何真实水流的速度，只是一种假想速度。假设整个过水断
面都被水充满时，地下水就以这种速度流动。
28
1.1 渗流的基本概念
实际上，地下水仅仅在空隙中流动。在空隙中的不
同地点，地下水运动的方向和速度都可能不同，平 均速度 称为实际平均流速。速度v 和地下水的实际
1）地下水的状态方程 在等温条件下，水的压缩系数为：
《渗流的基本定律 达西定律》PPT课件
SW SW OT OT
当选择行业领域 中只有少数竞争 对手时，可以考 虑做SWOT组图
进行比较
SWOT分析步骤
分析环境因素 构造SWOT矩阵 制定行动计划
运用各种调查 研究方法，分 析出公司所处 的各种环境因 素，即外部环 境因素和内部 能力因素。
将调查得出的 各种因素根据 轻重缓急或影 响程度等排序 方式，构造 SWOT矩阵。
Special lecture notes
二、地下水实际流速、渗透流速
渗透流速——假想渗流的速度，是假想的平均流速。实际
流速在REV上的平均值。
地下水实际流速—质点流速在以P点为中心REV体积上的平均 值称为地下水在P点的实际流速。
渗透流速与实际流速关系
Special lecture notes
实验结果： 在非稳定流条件下，地下水运动仍满足 线性渗流定律
达西定律适用条件 1.临界雷诺数Re（J. Bear)：
Special lecture notes
2.临界渗透流速vc（巴甫洛夫斯基）： 3.临界水力梯度Jc（罗米捷）： 4.达西定律下限问题（J0)
达西定律的应用条件 达西定律的上下限？
1.渗透系数的张量表示式
1.达西定律的推广形式：
渗透系数张量的坐标轴转换
Special lecture notes
3. 渗透系数张量的坐标轴转换
Kxx 0 0
渗透主轴方向与所选x,y,z方向一致时
K 0 0
Kyy 0 0 Kzz
vx
K xx
H x
vy
K yy
H y
H v z K zz z
v KJ v KJ
设R为设旋R为转旋矩转阵矩阵R cso in s c sio ns
当选择行业领域 中只有少数竞争 对手时，可以考 虑做SWOT组图
进行比较
SWOT分析步骤
分析环境因素 构造SWOT矩阵 制定行动计划
运用各种调查 研究方法，分 析出公司所处 的各种环境因 素，即外部环 境因素和内部 能力因素。
将调查得出的 各种因素根据 轻重缓急或影 响程度等排序 方式，构造 SWOT矩阵。
Special lecture notes
二、地下水实际流速、渗透流速
渗透流速——假想渗流的速度，是假想的平均流速。实际
流速在REV上的平均值。
地下水实际流速—质点流速在以P点为中心REV体积上的平均 值称为地下水在P点的实际流速。
渗透流速与实际流速关系
Special lecture notes
实验结果： 在非稳定流条件下，地下水运动仍满足 线性渗流定律
达西定律适用条件 1.临界雷诺数Re（J. Bear)：
Special lecture notes
2.临界渗透流速vc（巴甫洛夫斯基）： 3.临界水力梯度Jc（罗米捷）： 4.达西定律下限问题（J0)
达西定律的应用条件 达西定律的上下限？
1.渗透系数的张量表示式
1.达西定律的推广形式：
渗透系数张量的坐标轴转换
Special lecture notes
3. 渗透系数张量的坐标轴转换
Kxx 0 0
渗透主轴方向与所选x,y,z方向一致时
K 0 0
Kyy 0 0 Kzz
vx
K xx
H x
vy
K yy
H y
H v z K zz z
v KJ v KJ
设R为设旋R为转旋矩转阵矩阵R cso in s c sio ns