嵌入不透水球体复合多孔介质渗流场分析

作     者：薛晨 魏玉峰 符文熹 何思明 

作者机构：四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室水利水电学院四川成都610065 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室四川成都610059 中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室四川成都610041 

出 版 物：《四川大学学报（工程科学版）》 (Journal of Sichuan University (Engineering Science Edition))

年 卷 期：2017年第49卷第S2期

页      面：33-39页

核心收录：

学科分类：080103[工学-流体力学] 08[工学] 080104[工学-工程力学] 081502[工学-水力学及河流动力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家重点基础研究发展计划资助项目(2015CB057903) 中国博士后科学基金资助项目(2016M590890) 四川省科技计划专项资助(2014SS027) 

主　　题：多孔介质渗流 球体绕流 Brinkman-extended Darcy方程 等效渗透系数 

摘      要：嵌入不透水球体的复合多孔介质广泛存在于地下水渗流领域,由于不透水球体的影响,多孔介质中的水在流经不透水球体时发生绕流,且距离球体越近绕流现象越明显。为求解该复合介质的渗流场和等效渗透系数,在球坐标系下采用非线性Brinkman-extended Darcy方程,以无穷远处单向来流均匀和球面不滑移条件作为边界条件,求解出球体周围渗流流速与压强的解析解。分析该解析解表达式可知,此复合介质渗流场流速和压强分布与多孔介质基质的渗透率和地下水动力黏滞系数有关。在此基础上对渗流场流速进行积分,求出了Darcy流平均流速,并将平均流速表达式与Darcy公式表达式进行对比,得出等效渗透系数表达式,并理论证明球体与多孔介质的相对尺寸是影响复合介质等效渗透系数的最主要因素。最后以一定级配的砂作为多孔介质基质,用直径分别为4、6、8 cm的3种有机玻璃球体作为不透水球体,自制试验装置,开展嵌入不透水球体复合多孔介质的常水头渗流试验。试验通过控制多孔介质基质的压实度来保证其渗透系数基本不变,改变填充在多孔介质基质中的不透水球体进行渗流试验,对每一个不透水球体分别进行3组试验,取平均值作为试验结果。试验结果与理论计算的等效渗透系数值误差较小,验证了所推求嵌入不透水球体复合多孔介质渗流场的正确性。