ON FLOW IN POROUS MEDIA

渗流是流体在多孔介质中的流动，渗流现象广泛地存在于自然界、工程材料、动物、植物中。多孔介质种类繁多，包括岩石(含各类矿藏)、土壤、生物材料和人工多孔介质材料等。渗流理论已经成为人类开发地下水、地热、石油、天然气、煤炭与煤层气等诸多地下资源的重要理论基础。本文从渗流的基本概念、渗流的分类、渗流的影响因素、渗流的特征以及渗流的研究意义等方面进行了阐述。     

论岩体的渗透特性

从岩体结构的控渗作用出发, 可将岩体的渗流介质划分为多孔介质、准多孔介质、面状流不连续介质及脉状流不连续介质四类；论述了岩体复杂的渗透特性, 包括渗流的不均匀性、各向异性、非饱和性及渗流与变形的耦合等问题。文中还对岩体渗流分析的技术思路进行了讨论。     

渗流力学研究的现状和发展趋势

渗流力学在能源、环境、水利、岩土、交通、生物等工程领域有广泛的应用，渗流力学经过约一个半世纪的发展，已经积累了相当多的成果。随着现代科学的发展以及生产实践需求的不断提高，渗流力学仍然有进一步完善和发展的广阔空间。本文简述了水利、环境、能源工程和生物学中的渗流力学问题，扼要概括了渗流力学理论研究的现状，并指出渗流力学在多孔介质描述、裂缝型介质渗流、多相多组分渗流、物理化学渗流、非线性渗流、非饱和渗流、微观渗流、渗流模拟等理论及相关方法和测试技术等方面的发展趋势。     

渗流力学的新发展

渗流力学是研究流体在多孔介质内运动规律的科学。自1856年法国工程师达西提出线性渗流定律以来,渗流力学一直在向前发展,但最近10多年来的发展更为迅速,其主要动向是:渗流力学应用范围比以前更广;渗流力学理论以较快的速度不断深化;渗流力学研究手段不断实现现代化。本文主要对几项新型渗流——非等温渗流,物理化学渗流,非牛顿流体渗流,生物流体渗流,细观渗流的发展作了综述。      

渗流力学的近况和展望

渗流力学研究流体在多孔介质的运动规律.渗流是指流体在多孔介质内的流动;孔隙介质、裂缝-孔隙介质以及各种类型的毛细管体系等均属多孔介质.渗流力学是流体力学与多孔介质理论和表面物理化学等学科交叉渗透产生的一个独立的学科领域,是多种工程技术的理论基础.     

关于渗流中流线不封闭的特性和条件

本文对于流体在多孔介质中流动的特性进行理论研究和数值计算，提出两个关于渗流中流线不封闭的特性和条件，得到了在一般工程实际情况中的多孔介质区域内部不存在封闭流线的结论。本文以突变截面圆管中不可压缩渗流为算例，利用半人工瞬变方法进行数值计算，得到流体在充满多孔介质的突扩截面圆管和突缩截面圆管中流动时关于速度分布和压力分布的结果。由此表明，在突变截面附近的渗流区域中不存在回流和分离流，也不存在封闭的流线。渗流的这些流动特性不同于在无多孔介质的空间区域中的流动特性。     

非饱和多孔介质中混合元法的化学-热-渗流-力学耦合的本构模拟

在文献[1]中建立的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)本构模型基础上,针对文献[2]建立的非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合分析的混合有限元方法,发展了非饱和多孔介质中混合元的化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合本构模拟算法。采用非关联流动多重屈服准则模拟非饱和多孔介质的材料非线性行为。推导了u-pw-pa-T形式的包含了耦合率本构方程积分的向后欧拉映射算法和一致性弹塑性切线模量矩阵(单元刚度矩阵)的混合元一致性算法。本文给出了临界状态线(CSL)和状态边界面(SBS)两个屈服准则的一致性算法。数值结果显示了本文所发展的混合元耦合本构模拟算法在模拟由热、化学、力学荷载共同引起的多孔介质中化学-热-渗流-力学(CTHM)耦合行为的能力和有效性。     

基于渗透率连续变化的低渗透多孔介质非线性渗流模型

基于低渗透多孔介质渗透率的渐变理论,确定了能精确描述低渗透多孔介质渗流特征的非线性运动方程,并通过实验数据拟合．验证了非线性运动方程的有效性。非线性渗流速度关于压力梯度具有连续-阶导数,方便于工程计算;由此建立了低渗透多孔介质的单相非线性径向渗流数学模型,并巧妙采用高效的Douglas-Jones预估一校正有限差分方法求得了其数值解。数值结果分析表明：非线性渗流模型为介于拟线性渗流模型和达西渗流模型之间的一种中间模型或理想模型,非线性渗流模型和拟线性渗流模型均存在动边界;拟线性渗流高估了启动压力梯度的影响,使得动边界的移动速度比实际情况慢得多;非线性越强,地层压力下降的范围越小,地层压力梯度越陡峭,影响地层压力的敏感性减弱,而影响地层压力梯度的敏感性增强。     

弹塑性变形油藏中多相渗流的数值模拟

基于流固耦合力学理论,建立了弹性变形油藏中多相渗流的数学模型,该模型考虑了渗流与变形的耦合作用,以及注采交变载荷作下油藏多孔介质的弹性变形特征,给出了耦合数值模拟方法和算例。     

定量开采条件下径向渗流的液固耦合问题

考虑到多孔介质渗透率随孔隙度变化的特点，建立了力学模型，研究定量抽放问题；对于广义平面应力状态下的非线性渗流耦合问题，提出了解的构造方法和解耦方法；求出了耦合条件下的孔隙压力，多孔介质总应力、总应变和总位移的解析解；进行了实例计算，并与Biot理论进行了对比，结果表明两种理论的差别很大。因此在渗透系数有较明显变化的场舍下不能采用Biot理论进行分析。     

可变形多孔介质中的一维非定常耦合渗流

在Ｂｉｏｔ理论的基础上,考虑到可变形多孔介质的渗透系数依赖于孔隙变形的特点,建立了耦合渗流问题的基本方程;用初始层校正法求出了一维非定常耦合渗流问题的摄动解;实例计算表明,耦合分析与非耦合分析之间的判别较大,因此耦合效应不能忽略。     

饱和多孔介质分析解的唯一性与应变局部化分岔

基于不连续性分岔基本理论导出了静态非渗流状态下弹塑性饱和多孔介质应变局部化发生时的临界硬/软化模量,利用二阶功正定性原理研究了两相问题分析解的唯一性问题,并给出了基于主轴空间下解的显式表达式。研究工作表明,在静态非渗流状态下,弹塑性饱和多孔介质分析的唯一性与应变局部化发生的临界条件除了在量值上与单相介质有着明显的不同外两者之间还有许多一致的特性,这些一致的特性对问题的分析是十分重要的。     

液态泡沫渗流的机理研究进展

液态泡沫是具有高度自组织结构的非平衡系统. 泡沫中的微量液体在重力与毛细管力作用下, 在由薄膜、柏拉图通道以及交汇点形成的通道网络内的流动称为泡沫渗流(foamdrainage), 它直接影响泡沫结构的稳定性. 本文从泡沫物理学角度对液态泡沫的结构首先做了简单介绍, 并对泡沫材料与多孔介质之间的区别和联系做了简单介绍. 文章分析了由泡沫渗流、气泡粗化和液膜破裂而引起的泡沫结构演化规律, 着重介绍了目前泡沫渗流研究中对柏拉图通道边界条件的处理方法、相应的渗流模型及其在一维泡沫渗流中的应用, 并对泡沫渗流实验检测手段及微重力条件下的泡沫渗流实验和理论研究做了综述.      

渗流气体滑脱现象与渗透率变化的关系

气体在致密多孔介质中低速渗流时存在着因气体分子碰撞岩壁而引起的滑脱现象，它由介质的孔隙结构和气体分子的平均自由程共同决定。该现象使气测渗透率大于孔隙介质的绝对渗透率。介质中气体的低速渗流为黏滞流与滑脱流组成，各自所占比例与气体分子按自由程的分布有关。理论计算得到了低速气体渗流的气测渗透率Kg与绝对渗透率K0比值的关系式，实验结果与理论分析吻合。     

多孔介质非线性渗流问题的摄动解

考虑变形多孔介质渗透参数(渗透率和孔隙度)与孔隙压力呈负指数变化的特点，建立了多孔介质渗流问题的数学模型，采用积分变换方法求出了一维非线性渗流问题的摄动解，并对常数渗透参数和指数渗透参数的渗流问题进行对比分析，计算结果表明：两者之间的差别较大，且渗透参数的变化对于流体渗流中后期过程有着重要的影响，但对渗流早期影响不大，这对于定量研究工程中非线性渗流问题模型参数的相对重要性提供了可靠的理论依据。     

可变形多孔介质渗透系数的测定方法

在Ｂｉｏｔ理论基础上给出可变形多孔介质耦合渗流基本方程；求出小试件一维定常耦合渗流问题的解答；表明在一维流固耦合情况下试件内部压力梯度有明显的非均匀性。因此通过实验确定可变形多孔介质渗透系数在数学上可归结为微分方程的反问题，传统的测试渗透系数的方法需要改进。介绍了可变形多孔介质渗透系数的测试原理和测试方法。对粒状多孔材料实验的结果表明，传统实验方法得到的渗透系数误差较大。     

应变局部化分析中两类不同材料模型的讨论

特定情况下单相固体材料率相关模型与多孔介质中的渗流作用均对问题的动力应变局部化分析产生内尺度律效应，对两类问题基本解之间的关系进行讨论，给出了两类不同材料模型解之间的若干联系．     

多孔介质结构对渗流惯性效应的影响规律研究

本文通过局部展开算法研究了多孔介质中排列结构对非线性渗流规律的影响．计算结果表明：规则排列结构的渗流标度律和渗流方向相关，然而非规则排列结构的渗流标度律不依赖于渗流方向而只依赖于多孔介质的几何结构．伴随着排列结构的非规则程度增强，不同方向的渗流阻力变化规律的差异性减小．当流场输运区域较为复杂且不存在较宽直通道时，渗流阻力在较宽雷诺数范围内体现出较为明显的标度律特性．周期性强非规则排列结构中不同区域大小的模型却具有相似的渗流阻力的标度律特性，同时标度律特性与孔隙度的大小相关性不大．阻力非线性标度律由多孔介质结构的不同而取值为2至3之间．     

固液双相作用下多孔自润滑表面渗流行为分析

以多孔自润滑材料为研究对象，分析载荷作用下多孔基体变形和润滑液在孔隙中的流动特性，探讨多孔表面渗流速度随加载时间变化，分析固-液双相作用下多孔表面渗流与润滑行为.结果表明，多孔基体变形后，孔隙内储存的润滑液受迫流动，在多孔表面发生渗入和析出的流动现象.润滑液在接触区向多孔基体渗入，在接触区入口向多孔表面析出.恒定载荷下，入口两侧润滑液不能保持稳定的渗流现象，而随加载时间呈现出扩散和波动的变化过程.在竖直方向上，多孔材料内的最大流体压力发生在上表面，最大固相应力发生在靠近上表面的次表面位置.随加载时间延长，磨擦界面的液相承载力先增大后降低，固相承载力先降低后增大，最终液相承载力降低为零，外载荷全部由固相材料承担.适当增加载荷能提高润滑液在多孔表面上的渗流速度，改善润滑状态，但也使得润滑液的渗流速度波动更为剧烈.     

孤立波与多孔介质结构物的非线性相互作用

基于精确至Ｏ（εμ＾２,μ＾４）的多孔介质无压渗流模型方程和均匀流体质波动的Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程,本文对孤立波与多孔介质结构物的相互作用了较系统的数值实验。控制方程采用基于有限差分方程离散,在时域上采用了预估－校正方法进行了时间积分。在求解演化方程的过程中,引入“内迭代”过程实现流体域和多孔介质交界面的连接条件。结果表明孤立波在多孔介质上的反射与在不可渗透的界面上的反射类似,形成反向的孤立波但