渗流力学Word格式.docx
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随着相关科学技术的发展，如高性能计算机的出现，核磁共振、CT扫描成像以及其它先进试验方法用于渗流，又将渗流力学大大推进了一步。
近年来，随着非线性力学的发展，将分叉、混沌以及分形理论用于渗流，其它诸如格气模型的建立等等，更使渗流力学的发展进入一个全新的阶段。
渗流力学的应用范围越来越广，日益成为多种工程技术的理论基础。
由于多孔介质广泛存在于自然界、工程材料和人体与动植物体内，因而就渗流力学的应用范围而言，大致可划分为地下渗流、工程渗流和生物渗流3个方面。
地下渗流是指土壤、岩石和地表堆积物中流体的渗流。
它包含地下流体资源开发、地球物理渗流以及地下工程中渗流几个部分。
地下流体资源包括石油、天然气、煤层气、地下水、地热、地下盐水以及二氧化碳等等。
与此相关的除能源工业外还涉及农田水利、土壤改良（特别是沿海和盐湖附近地区的土壤改良）和排灌工程、地下污水处理、水库蓄水对周围地区的影响和水库诱发地震、地面沉降控制等。
地球物理渗流是指流体力学和地球物理学交叉结合而出现的渗流问题。
这些问题的研究进一步推动了渗流力学理论的发展。
地球物理渗流包括雪层中的渗流和雪崩的形成、地表图案的形成、海底水冻层的溶化、岩浆的流动和成岩作用过程以及海洋地壳中的渗流等。
存在于人造多孔介质或工程装置中的流体渗流称为工程渗流，它涉及化学工业、冶金工业、原子能工业、机械工业、建筑工业、轻工食品等多个部门。
存在于人体和动植物体内的流体渗流称为生物渗流，它包含人体和动物体内毛细血管中的血液流动与呼吸系统的气体运动，植物体内的水分糖分的流动等。
简单地说．渗流研究的意义体现在；
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，在环境保护、地震预报、生物医疗等科学技术领域中，在防止与治理地面沉降、海水人侵，兴建大型水利水电工程、农林工程、冻土工程等工程技术中，已成为必不可少的理论。
渗流力学理论与应用研究的展望
渗流力学的发展，一方面是受到工农业生产所提出各种实际问题的激励和推动，一方面是受到相关科学技术发展所提供各种手段和方法的支持和帮助、反过来渗流力学的发展又极大地促进有关部门的生产发展和相应领域的科技进步。
在20世纪末渗流力学本身和相关科学技术发展的基础上，渗流力学的理论和应用研究在双世纪上半叶将获得更加广泛和深入的发展。
1．1细观渗流的研究
细观渗流是指研究在微细尺度上（目前二维像素（pixel）和三维像素（voxel）的线尺度均在100μm以下）渗流的性状。
传统的渗流是研究宏观特性，即统计平均特性,不能确切了解多孔介质内部的物理化学过程及渗流机理。
细观与宏观研究相互补充可使对渗流的认识更加透彻。
细观渗流研究的内容包括：
多孔介质本身的特性如介质的拓扑结构、孔隙和裂缝的分布情况、孔隙表面的粗糙度、空隙度和渗透率的分布情况等；
多孔介质与流体之间的关系，如表面润湿性、吸附和解吸特性、饱和度分布和各相之间的分布细节等。
1．2流固耦合的研究
流固耦合的研究通常是将渗流力学与岩土力学结合起来，所涉及的内容包括振动采油、水库诱发地震、地面沉降和煤层气渗流等，振动采油是利用外力作用来提高石油采收率。
研究表明：
在交变载荷作用下，多孔介质和流体处于膨胀—收缩的交替过程，应力—应变关系是瞬变状态。
水库大量蓄水会造成局部岩体应力积累。
地面沉降及恢复过程也涉及流固耦合问题。
煤层甲烷气渗流与煤体力学的耦合是采煤业和煤层甲烷气开发中必须研究的重要课题。
众所周知：
瓦斯突出严重地威胁煤矿工人的生命安全；
而煤层气开发己成为提供能源的一个新途径。
流体饱和的多孔介质中波系的传播也是一个值得重视的领域。
对流固耦合渗流的研究已显得十分重要。
流固耦合问题涉及的范围很广。
微动态渗流问题，水库与大坝的相互作用问题等，均属于流固耦合问题，对流固耦合渗流问题已经做了一些研究，例如在考虑流固耦合的同时，又考虑温度场、地电场以及其他物理—化学因素。
下面介绍几个工程领域中的例子。
1.2.1．地面沉降的渗流问题
地面沉降是世界上普遍存在的一种环境灾害。
它主要是由于过度开采地下水或地下矿产资源而造成的，往往毁坏市镇工程设施与地面建筑物及铁路公路交通设施，还可能造成地面开裂或海水入侵等。
过去，威尼斯、东京等大城市的地面沉降现象是世界有名的，影响了城市建设，给人民的生命财产安全带来严重危险。
现在，世界上的地而沉降情况就更严重了，已成为城市的主要灾害之一。
例如，美国的加利福尼亚地区多处出现地面沉降现象，据不完全统计，我国至少已有30多座城市出现过比较严重的地而沉降问题，例如上海、大津、西安、常州等城市。
这些城市发生地面沉降的原因主要是不合理抽取地下水，引起地层孔隙流体压力下降．导致岩层或土层变形。
天津市市内年平均沉降超过5cm，个别地区达14cm，1949—1997年的累积沉降一般巳达2.7m。
上海市自1921年发现地面沉降到1965年，最大累积沉降量达2．63m，有些地方降到了海平面以下。
从1963年起，上海市限制地下水抽用量，1965年起进行开采层次调整和人工回灌。
自从采取防治地面沉降措施后，市区地面沉降逐渐趋于稳定，但市区冬灌夏采，水位不断起落，地面冬升夏沉。
随着城市化进程的加快，城市人口急剧增加。
生产和生活用水量日益增加，这给地面沉降防治带来很大困难。
涉及地面沉降的渗流问题是流固耦合问题。
需要将渗流力学与岩土力学等学科紧密结合起来，才能得到较好的解决。
这类问题可分成两类：
一为基础性问题，需要进行实验研究和理论分析；
二为应用性问题，例如，采水灌水工程的层位组合、井网井位布局、采灌量的规划、动态预测和动态分析以及治理过程中的层位、井位和采灌量的调整等，都需要相应的渗流计算分析。
30多年来，我国在地面沉降防治方面，从渗流的角度开展了理论分析及应用研究工作，但投入力量较小，未能满足工程实际的需要。
因此，一方面需要增加投入；
另一方面需要渗流力学界的专家学者进行多学科交叉研究。
1.2.2．水库诱发地震中的渗流问题
人类工程活动在一定条件下可诱发地震，如修建水库、城市或油田抽水或注人工爆破或地下核爆破等均可引起地震活动。
水库诱发地震可能毁坏水库水坝，使人民生命财产遭受巨大损失。
水库诱发地震的机制随条件不同而有所区别。
有的是水库大量蓄水的载荷效应使水库下岩体中孔隙水压增加，导致岩体中部分构造应力提前释放，使地震活动加剧。
有的是因库水沿岩体层理、节理及各种层次的裂缝渗流入岩体深部，使孔隙水压增加，提高了岩体局部的应力积累，进行能量释放而发生地震。
黄河龙羊峡水库和陕西三原县冯村水库地震均为上述机制的实例。
有时，在上载负荷变化和入渗水影响的同时，还存在固体潮效应，龙羊峡水库地震与朔望固体潮的关系就相当明显。
中国总震例数的50％为外部成因的水库诱发地震。
将渗流力学与岩土力学结合起来，深入研究水库诱发地震机制，为地震预测预报提供理论依据，这是一项长时期内都不能松懈的工作。
这方面的研究还很薄弱。
1.2.3．煤层渗流
煤层气渗流与煤体力学的耦合研究对煤炭开采有重要的意义。
一方面。
煤层气是煤矿生产的灾害隐患；
另一方面，它又是一种洁净的能源。
我国煤层气资源很丰富，是我国重要的接替能源之一。
合理开发煤层气资源可以从根本上解除煤矿瓦斯灾害隐患。
煤层大多属于孔隙裂缝多重介质，煤的孔隙和裂缝表面极不规则，煤层介质中除瓦斯外有时还有水，瓦斯在煤孔隙裂缝表面上的吸附和解吸机制很复杂，地电场与温度场等物理场对瓦斯渗流有影响。
多种因素影响使得煤层气渗流问题往往非常复杂，渗流基本规律是否遵循达西线性渗流运动定律还需要探索。
我国有关单位的科研人员在瓦斯突出的研究方面，已取得了一定的成果，但对于煤层气渗流基本规律与机制的认识还很肤浅，有待于进一步研究。
1.2.4．石油开采中的流固耦合渗流
油气藏开发过程是多相流体渗流与储层介质变形耦合的动态过程。
在交变载荷作用下，多孔介质和流体处于不断地膨胀和收缩交替变化状态，不稳定渗流过程和岩石应力—应变过程相互影响，其结果是在产出液中油的比例升高，水的比例减小，有利于提高石油的采收率和产量。
室内实验和矿场实验表明．以不同的频率和幅度不断改变压力和流量，使油层中的压力场和速度场不断变化，有助于提高原油产量和采收率。
因为我国石油年产量的绝大部分都是在高含水条件下获得的，因此上述问题作为流固耦合问题进行研究是有重要意义的。
除了上述四个领域涉及流固耦合问题外，在其他领域也存在类似的问题。
例如，黄土地区的地面裂陷和岩溶塌陷等，需要从事渗流研究的科技入员给予足够的重视。
1．3输运过程的研究
输运过程是当代渗流力学中的重要课题，它涉及地下水污染的防治、土壤的盐碱化以及三次采油等领域，地下水污染的原因有垃圾处理不当，其滤液渗入地表并进入含水层；
工业废水和生活污水诽入江湖后渗入地下台水层；
化肥和农药渗入地表并进入含水层；
沿海地区的海水入侵以及内陆海相沉积层中咸水入侵淡水层等等。
溶质的输运造成地下水含有各种有机质和无机化合物，使地下水恶化。
给人们生活、工业用水和农业灌溉带来严重影响。
三次采油中向地层注入表面活性剂等驱油溶液也涉及溶质运移的研究。
溶质输运过程的研究以费克（Fick）扩散定律和水动力弥散理论为基础。
关于动力弥散理论已建立一些模型，如细管、毛细管束和网络模型等。
这些模型各有优缺点，均远未达到能精确而简明描述的程度，水动力弥散的概念和数学模型还有待进一步完善。
1．4现代非线性渗流力学
现代非线性连续介质力学发展很快，目前着重研究分叉和混沌、分形理论和孤子理论3个方面。
在渗流力学领域主要涉及分叉和混沌以及分形理论。
美国艺术与科学院院士BBMandelbrot因创立了分形学科而一举成名。
1967年，他在美国《科学》上发表了长度两页多一点的报告《英国海岸线有多长，统计自相似与分数维》。
以后，他出版了《分形对象：
形、机遇与维数》、《大自然的分形几何学》等。
他引进分数维描述自然现象，并称这类体系为“分形”。
分形是非线性特征的几何表现。
而按照欧几里得几何学，物质的空间是以整数维表征的。
分形的特点为：
空间分布是间断的、非均匀的、不光滑的、处处不可微分的，具有尺度变换的自相似性，即局部为整体成比例性缩小的特性。
分形理论是研究分形的几何特征、数量表征及其普适性的现代非线性科学理论。
多孔介质的宏观与微观特征都具分形特征，所以在渗流力学理论及其工程应用研究中，分形理论将发挥重要作用。
多种产业部门和工程技术中的渗流研究都已注意引入分形理论，着重用分形几何描述多孔介质的物理特征，例如孔隙形状及结构、岩体和煤体的裂缝壁面和孔隙壁面的不规则性、裂缝网络的分布、孔隙度和渗透率等参数的非均质分布，以及以实验或逾渗理论为基础定量描述两相流体渗流时的粘性指数。
中国矿业大学谢和平院士首先在国内外高校中开设了分形岩石力学课程，在分形与岩石力学学科交叉研究中，取得了一系列创造性成果。
此外，一些学者用分形研究单向弱弹性流体渗流、低渗介质非线性渗流、不混溶与混溶的两相流体渗流、溶质粒子弥散过程和气泡生长机理以及裂缝介质渗流和双重介质渗流，取得了重要的进展。
一个非线性系统总是对某些参数有很大的依赖性，当该参数变化超过临界值时，系统初始状态（基态解）的延续出现突变现象，失去稳定性，破坏解的唯一性，出现几个解的分支，这就被称为分叉，这种分叉可称为初级分叉。
参数继续增大，上述现象可能在新的水平上重复，即在初级分叉分支上产生二级分叉。
再产生三级分叉，如此继续，出现怪引子而过渡到一片混沌。
混沌在很多系统中都能发生，有的并无明显的过渡过程。
混沌是指发生在确定性系统中的类似随机的过程，它是非线性的一种属性。
确定性系统是指动力学系统的方程和初始值完全给定，从数学上讲这个动力学系统给出一个确定性过程。
但其解的长时间行为貌似随机，表现为解流在一些特殊点集上作无规的游动。
多孔介质中自然对流是研究分叉和混沌的一个重要领域，我们研究混沌可以利用有益的混沌，控制不利的混沌。
分形理论已被广泛地应用于物理、化学、地学、生物、冶金、材料以及经济等学术领域。
这是非线性特征的几何表现。
在石油和煤炭工业中已被用于物探、地质、岩石和煤样等多孔介质特性的描述。
在欧几里德（Euclid）几何中，物质空间是用整数维表征的，即1、2、3维。
而分形理论是引进分数维描述自然现象，并称这类体系为分形。
其特点体现在空间分布是间断的、非均匀的、不光滑的、处处不可微的，具有尺度变换的自相似性和自仿射性。
分形理论认为某些事物的局部在一定条件下可用某种特有的方法表现出与整体具有相似性，即整体内部相对独立的单元可构成整体的缩影。
这种相对独立的单元称为分形元。
从分形元最终向分形整体过渡体现了从分形元到整体的动态演化过程。
现在人们知道：
不仅描述混沌运动的怪引子具有分形结构，而且纳维—斯托克斯方程的奇性是处于分维空间。
在渗流力学中很容易想到：
对某些具有分形性质的油藏，由于介质的孔隙度和渗透率与分形指数有关，当然描述渗流规律的数学模型亦与分形指数有关。
分形元与分形体之间的差异体现为特征尺度的多重性。
由于存在多重特征尺度，分形理论发展了某种标度变换的方法，即重整化群理论。
1．5实验技术与物理模拟
在渗流的实验研究方面将取得重大进展。
过去由于无损探测和显示技术方而的困难，在实验研究方面渗流力学落后于其它力学分支。
随着相关科学技术的发展，情况有了改观。
当前无损细观研究的主要手段是用x射线层析成像仪（X-CT）和核磁共振成像仪（MRI或NMRI）。
物理模拟是指用物理（而非数值）的方法，即相对于原型按一定比例做成模型在实验室中再现某种现象变化过程的技术，这种模拟可以是二维的也可以是三维的，可以是单相的也可以是多相的；
可以是等温的也可以是非等温的，一种常用的物理模拟装置是采用二维模型（例如，其中一面用有机玻璃板），用显微技术和扫描通过屏幕观察二维模型内的渗流机理和规律，对饱和度的测量也可利用超声波、伽玛射线或中子束，其原理也是基于不同的流体对射线有不同的吸收系数，有时为了提高测量精度，可在水相中加入若干吸收增强剂（如NaI）。
1．6方法的研究
渗流力学能够较好的解决油、气、水开发工程及地质工程、环境工程等领域中提出的复杂的力学问题，是与引用和研究新的数值方法分不开的。
早在20世纪50年代初，GHBruc、DWPeaceman就用有限差分方法在计算机上求得了理想气体非线性非定常渗流的数值解。
1959年，Douglas研究了二相多维渗流非线性微分方程组的数值计算方法。
1966年，Zienkiewicz把有限元方法用于二维定常渗流计算。
1968年，Javenda1、Witherspoon进一步用有限元方法解非定常渗流问题。
在80年代。
国内外比较普遍地应用计算机进行渗流问题的数值计算和模拟。
如今，在国内外有关的产业部门和工程技术领域，计算渗流力学都已得到相当的重视，发展速度很快。
油藏渗流的计算机数值计算，在国内外的石油行业中称为“油藏数值模拟”，并被视为一种技术。
由于油藏计算渗流力学为开发的方案优选、产量和地层压力动态预报、地下剩余油气分布和采收率预测、经济效益评价以及重大开发问题的决策，提供了现代计算技术，所以国内外在70年代就开始研究和应用，但真正工业性的应用和软件的商业性推广是从80年代开始的。
这与计算机硬件的发展水平有关。
可以毫不夸张地说，数学模拟能使渗流研究有新的突破和重大进展。
格气（Latticgas）法，尤其是90年代发展的格子玻耳兹曼方程（LBE）方法被认为是一种先进的计算手段。
LBE方法是取一个与流体粒子数密度和粒子宏观速度有关的分布函数，然后在网络上解这个分布函数的动力方程。
对于具有自相似性的多孔介质，可以用局部进行模拟，然后进行整体叠加。
格气模型可用来进行微观渗流的计算分析，如粒子水平的单相流动的渗流机理；
两相流体的渗流机理和驱替规律，流体的相交和相分离机理等。
计算方法的研究将在并行计算方面取得进展，并行计算的基本思想是将一个巨大的计算任务合理地分配为若干于任务，并在多个处理器上并行地执行。
油藏数值模拟软件运算并行化方法起初有两类。
一类是区域分解法，该方法是从空间角度对模拟软件进行并行化。
另一类是SST（SquentialStagingofTasks）方法，该方法是从时间角度对模拟软件进行并行化。
最近，在SST思想的基础上，发展了DoubleSST方法和MultipleSST方法。
这些不仅使以前无法进行的一些大规模计算问题通过并行计算的方法得以解决，而且很有效地提高速度，可对油藏进行更精确地数值模拟，因而并行计算已成为油藏数值模拟的发展方向。
油藏模拟的有限元法也是一个发展方向，过去的油藏数值模拟一般是基于有限差分方法发展起来的。
有限差分方法比较适合于形状很规则的地块。
而有限元方法具有网格划分灵活的优点，对边界形状很不规则或具有复杂的非均匀特性分布的储层很适用。
并且精度较高，收敛性较好，值得进一步研究。
油藏模拟中可视化技术将得到发展，先进的计算方法配之以多媒体技术将使油藏数值模拟及其结果的传输、储存和使用提高到一个新水平。
随着对油、气和地下水不断增长的需要，计算渗流力学在下述几个方面得到了较大发展：
物理—化学渗流（注溶剂、聚合物、泡沫、胶束、二氧化碳以及稠化水等驱油），用对流—弥散方程和双线性吸附速度方程描述其主要机理。
这组方程对地下水污染问题也是适用的；
非等温渗流，其数学模型包括能量守恒方程，油、水、蒸汽的质量守恒方程以及气、水平衡方程等；
非牛顿流和非达西流；
参数识别（根据试井资料用匹配法反求地层参数，矿场动态资料历史拟合）等：
应该发展计算数学（涉及诸如线性代数计算、数值逼近、偏微分方程组的解法、随机方程的解法以及数学规划等分支学科），为解决上述计算渗流力学问题提供更好的工具。
由于渗流的计算模拟要求最大限度地逼近实际的地质条件和地层参数及渗流中的物理化学过程和全部生产实际，所以这对计算机的软件和硬件要求都是十分苛刻的。
20世纪80年代初，大型矢量机的出现使渗流计算开始走向真正的工业化应用，而以后的计算机工作站和并行机的问世，又将渗流计算向前推进了一步。
渗流数值模拟的进展大致有以下几个方面：
（1）全隐式方法；
（2）预处理共轭梯度法；
（3）矢量化；
（4）自适应隐式方法；
（5）局部网格加密；
（6）状态方程组分模型；
（7）稠油热采渗流模型；
（8）裂缝多孔介质渗流模型；
（9）聚合物驱油渗流模型；
（10）工作站前后处理软件。
就油藏数值模拟而言，油藏数值模拟的发展与硬件发展紧密联系，由传统的计算机转向工作站。
工作站软件系统的完善和标准化以及三维图形库的应用，使油藏渗流数值模拟面貌有了较大的改变。
1．7应用研究
渗流力学在工程和技术领域的应用以及对其它相关学科领域的应用研究具有非常广阔的前景，在21世纪，对资源开发的应用研究仍是渗流力学的主要任务之一，地下资源包括石油天然气、地下水、煤层气、地热、地下卤水和盐湖资源等。
随着油气资源日益减少，开发的难度越来越大，对科学技术的要求也越来越高。
低渗透问题、稠油的效果，各种表面活性剂的注入、细菌采油、振动采油等，给渗流力学提出了一系列更为复杂的任务。
此外，有以下若干应用研究领域给渗流力学提出了繁重的任务。
农田水利领域这包括土壤改良、盐碱化治理、减少化肥农药污染、水土保持和合理使用，这要求将土壤、植被、水流、防污染作为一个整体的系统工程进行研究。
实现高效农业和可持续发展战略。
沿海地区海水入侵和咸水湖地区咸水入侵的防治我国的大连、天津、河北、山东、江苏及上海等沿海地区均有较严重的海水入侵，使地下水质恶化，氯离子含量增加，给这些地区的工农业生产和人民生活造成危害。
沿咸水湖地区问题亦相当严重，应当综合研究进行防治。
地面沉降的控制地面沉降的主要原因是地下水的不合理抽取，引起孔隙内流体压力下降，导致地层变形，该问题的研究涉及流固耦合问题。
我国上海、天津及其它一些大城市都出现严重的地面沉降。
例如，天津市内年平均沉降大于5cm，个别地区达14cm，1949—1997年累计沉降已达2．7m，上海地区从1949年以来地面下沉1—2m，有些地方甚至降到海平面以下，造成海水入侵、水质恶化，苏锡常部分地区近20年地面下沉1m，造成局部地区房屋开裂、管道错位、防洪工程的防洪标准下降等，这些对建筑工程带来严重影响。
水库诱发地震问题水库蓄水以后，使岩石中孔隙压力增大。
对于有裂缝的岩体，库水沿各种裂缝深入岩体内部，造成局部岩体应力积累，使岩体中构造应力及时释放而导致地震的产生。
我国黄河上游、长江中上游、雅鲁藏布江的世界第一大峡谷以及云贵地区水力资源异常丰富。
这些资源的开发会形成巨大的水体。
统计资料表明，我国地震总数的一半为水库诱发地震。
对该问题的研究具有重要意义。
对工程领域的应用研究渗流在工程领域的应用日益广泛。
特别是隧道工程、高速公路路基建筑、地下储气库工程、环保工程、化学工程等。
在航空、航天技术和核工业领域，渗流也有重要应用。
微机电系统（MEMS）中渗流微型的电子—机械系统（简称微机电系统）是21世纪机电系统的重要研究方向，其尺寸为微米量级。
它的显而易见的应用领域有诸如基因工程、生物医学工程，包括体内手术、医用注入器等，在工程领域也有广泛的潜在应用前景，如流动控制、打印器具等。
微机电系统中的管径亦为微米量级或更细。
其中比面很大、表面现象很重要，具有多孔介质的明显特征。
气体在其中的流动一般为滑流领域，有时还涉及传热问题。
将给渗流的研究带来一些新的课题。
地球物理领域近年来渗流力学在地球物理领域的应用越来越广泛。
这种交叉学科的研究日益受到重视。
包括岩浆的活动、某些地质构造和地貌的形成等问题以及某些海底结构，都涉及渗流问题。
将渗流力学与地质力学、岩石力学结合起来进行研究将取得重要成果。
生物科学领域渗流在生物科学领域的应用将越来越受到重视，该领域的研究成果的重要意义正日益明显，在促进人类健康防止某些疾病，特别是给人类生命造成严重威胁的心、脑血管疾病的防治方面将提供有益的依据。
从广义的角度而言，生物渗流是指人体利动植物体内的生物流体以及非生物多孔介质内的含有微生物的流体的渗流。
研究生物渗流，对医学科学的发展，尤其是对心脑血管疾病的诊断与防治技术的进步，对农林业及畜牧业的发展，都具有极其重要的意义：
郭尚平院士等专家将流体力学与医学及牛物学交叉渗透研
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