編譯：葛越峰 上海安世亞太流體應用工程師

文章首發：上海安世亞太官方訂閱號（搜索：PeraShanghai）

聯系我們：021-58403100

本文共計2489字，閱讀時間預計8分鐘

---

滲流的概念

滲流是指流體在多孔介質內的流動。滲流現象廣泛存在于人造材料和自然界中。如地下水的開發、石油的開發、天然氣收集、煤炭的開采等都需要對滲流進行分析研究。

滲流力學主要研究流體在多孔介質內的運動規律，是流體力學的一個分支。

但同時又與多孔介質理論、表面物理、物理化學、固體力學和生物學等學科交叉滲透，是一門綜合的學科。當前的研究主要集中在單相滲流理論、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。

滲流理論的應用面也很廣。

如在生物醫療領域、海水入侵，水利水電工程、農林工程、凍土工程等都需要對滲流進行分析。

研究滲流區域內水頭或地下水位的分布，滲流對建筑物基底的作用力，區域內滲流量，滲流速度以及滲流對多孔結構的影響等。

按其應用范圍，大致可以劃分為地下滲流、工程滲流、生物滲流3個方面。

CFD仿真在多孔介質中的運用

ANSYS Fluent 中Porous Zone可以分析液體在多孔介質中的流動趨勢。

本次以簡單模型，模擬液體在多孔介質內的流動情況。

▲上圖陰影區域對應下面視頻中的多孔介質區域

---

滲透與滲流

實際生活中往往觀察到的是液體向固體縫隙內部滲透的現象，為了分析這一現象，我們引入了滲流概念。

• 滲透

地下水在巖石孔隙或多孔介質中的運動，液體在彎曲孔隙中流動，速度各不相同。為了研究地下水的整體運動特征，引入滲流的概念。

• 滲流

具有實際水流的運動特點（流量、水頭、壓力、滲透阻力），并連續充滿整個含水層空間的一種虛擬水流；是用以代替真實地下水流的一種假想水流。

其特點是 >>

（1）假想水流的性質與真實地下水流相同；

（2）充滿含水層空隙空間和巖石顆粒所占據的空間；

（3）運動時所受的阻力與實際水流所受阻力相等；

（4）通過任一斷面的流量及任一點的壓力或水頭與實際水流相同。

• 滲流場

滲流場是指假想水流所占據的空間區域，包括空隙和巖石顆粒所占的全部空間。

普通管道中的水流

孔隙介質實際流線

假想的流動

---

多孔介質

滲流受多孔介質特性影響。天然和人造的多孔介質普遍具有下列特征：空隙尺寸微小；比表面積數值很大。

• 多孔介質的特征使滲流具有下述特點

1. 表面分子力作用顯著，毛細管作用突出

2. 流動阻力較大，流動速度一般較慢，慣性力往往可忽略不計

• 多孔介質的性質

孔隙性 有效孔隙和死端孔隙

◆ 孔隙度：是多孔介質中孔隙體積與多孔介質總體積之比

◆ 有效孔隙：是多孔介質中相互連通的、不為結合水所占據的那一部分孔隙。

◆ 有效孔隙度：是多孔介質中有效孔隙體積與多孔介質總體積之比。

◆ 死端孔隙：是多孔介質中一端與其他孔隙連通、另一端是封閉的孔隙。

連通性 封閉和暢通、有效和無效
壓縮性 固體顆粒和孔隙的壓縮系數推導
多相性 固液氣三相可共存

---

影響滲流的各種力

油、氣、水能夠在多孔介質中滲流主要受以下幾種力的作用：

• 流體的重力

重力可能是動力也可能是阻力。

• 多孔介質的壓縮性及流體的彈性力

油氣存在于地下巖層內，未開采時巖石和流體都處于均衡受壓的平衡狀態。隨著油氣的不斷開采，油氣層內的壓力逐漸降低，上覆巖層和油層內壓力差逐漸增大，會導致巖石變形，造成巖石孔隙度減小即內部孔隙體積減小，多孔介質內流體逐漸向壓力低的方向流動。滲流方向也發生改變。

• 毛管力

多孔介質可以看成是固體內部存在許多個毛細管，這些毛細管散亂分布，互相連通。發生滲流時一種流體驅替另一種流體，在兩種流體交界面上產生壓力跳躍，這個壓力就稱為毛管壓力。

• 流體的粘性及粘滯力

流體在流動時，不同流速的流體間受分子間內聚力的影響會產生相互作用力，使速度低的加速，速度高的受到限制，流體的這種屬性稱為粘性。

流體的粘性與流體的種類溫度以及壓力相關。

在滲流中，粘滯力為阻力，且動力消耗主要用于滲流時克服流體粘滯阻力。

---

滲流的驅動類型

滲流的驅動類型主要有：重力水壓驅動、彈性驅動、氣壓驅動、溶解驅動以及重力驅動。

◆ 重力水壓驅動：利用水深壓力或人工注水產生水壓來驅動。

◆ 彈性驅動：由于一側壓力下降引起的巖石及液體的彈性膨脹。

◆ 氣壓驅動：利用不溶于液體的氣體，增加氣體壓力來驅動。

◆ 溶解氣驅：當壓力低于飽和壓力時，不斷分離的溶解氣驅動油層的方式。

◆ 重力驅動：受重力作用引起的流動。

滲流過程一般受多種驅動方式作用，一種起主要作用，其他起輔助作用。隨著滲流過程的變化，驅動方式也會發展變化。

---

浸潤性對滲流的影響

• 浸潤

指液體與固體接觸時，液體會逐漸滲入或附著在固體表面的現象，該種液體相對于此固體為浸潤液體。

• 不浸潤

液固接觸時，液體不會沿固體表面附著也不會滲透到固體內部的現象，該液體相對于此固體為不浸潤液體。

浸潤和不浸潤主要受分子作用力影響。

◆ 如果附著層內分子間的距離大于液體內部分子間的距離，分子間的作用表現為引力，附著層有收縮的趨勢，就像液體表面張力的作用一樣，這樣液體和固體之間表現為不浸潤。

◆ 如果附著層內分子間的距離小于液體內部分子間的距離，分子間的作用力表現為斥力，附著層有擴展的趨勢，液體與固體之間表現為浸潤。

---

影響浸潤性的因素

在一定條件下，浸潤性 與溫度、壓力等因素有關。

流體的性質等因素也可能影響固體表面的浸潤性。例如，含有表面活性物質的流體與固體表面接觸后，可能改變后者的浸潤性。

有些固體表面的浸潤性呈現復雜的狀態。例如，由于曾經與不同的液體接觸，在同一塊儲油巖石上可能出現親油表面和親水表面同時存在的現象。

浸潤性對技術生產的影響

不同的液體固體浸潤性不同，流體在多孔介質中運動的規律也不同，進而也會影響工業農業的生產過程。

例如，不同地質地礦下儲油巖石的浸潤性不同，則滲流力學計算方法、油田開發原則和生產控制措施都不同。

---

滲透率

滲透率是在滲流力學中用來衡量流動特性的物理量。

多孔介質內部存在許多允許流體流過的細小空間的性質稱為滲透性，用來衡量滲透性強弱的物理量稱為滲透率。

• 舉個例子

在能源開采方面，地層滲透率愈大，生產能力及采收率也愈大。有研究表明：巖石的浸潤程度對于基質吸滲速度有顯著影響。一般親水性越強，滲透率越高，吸滲排油越快，采油速度也越快。

• 滲透率值計算

滲透率值由達西定律計算可得，計量單位為毫達西，符號為mD。滲透率的SI單位制為平方微米。兩者的換算系數為1mD=0.0009869平方微米。工程上常用達西和千分達西，即千分之一達西。一般砂巖油層的滲透率為200～1000千分達西。

---

總結

由于多孔介質的結構復雜，對流體流動特性影響較大，分析滲流速度及滲流時間在結構建筑、工業開采中非常重要。如今可以用CFD仿真技術詳細分析多孔區域內部的流體流動，為工業發展提供科學的依據。

---

*本文版權歸上海安世亞太所有，如需轉載，請與我們聯系021-58403100。

如果你覺得這篇文章對你有用，點個贊吧~