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    达西定律成立吗

    万军伟 黄琨 陈崇希

    万军伟, 黄琨, 陈崇希, 2013. 达西定律成立吗. 地球科学, 38(6): 1327-1330. doi: 10.3799/dqkx.2013.000
    引用本文: 万军伟, 黄琨, 陈崇希, 2013. 达西定律成立吗. 地球科学, 38(6): 1327-1330. doi: 10.3799/dqkx.2013.000
    WAN Jun-Wei, HUANG Kun, CHEN Chong-Xi, 2013. Reassessing Darcy' Law on Water Flow in Porous Media. Earth Science, 38(6): 1327-1330. doi: 10.3799/dqkx.2013.000
    Citation: WAN Jun-Wei, HUANG Kun, CHEN Chong-Xi, 2013. Reassessing Darcy' Law on Water Flow in Porous Media. Earth Science, 38(6): 1327-1330. doi: 10.3799/dqkx.2013.000

    达西定律成立吗

    doi: 10.3799/dqkx.2013.000
    基金项目: 

    国家自然科学基金资助项目“基于孔隙介质水力学模型的达西-非达西流基本方程试探研究” 40972155

    详细信息
      作者简介:

      万军伟(1964-),男,教授,主要从事地下水渗流研究.E-mail: wanjw@cug.edu.cn

      通讯作者:

      陈崇希,E-mail: ccx33@163.com

    • 中图分类号: P641.2

    Reassessing Darcy' Law on Water Flow in Porous Media

    • 摘要: 目前在地下水渗流研究领域公认的是:当雷诺数Re<(1~10)时,达西线性定律是描述地下水渗流运动的最基本方程,地下水流动的数学问题都可以基于该线性方程而导出.通过对当年达西实验数据的再分析以及利用透水石孔隙介质进行的渗流实验发现:即使在雷诺数Re<(1~10)的条件下,地下水渗流也不服从达西线性定律,而是呈现出随着雷诺数的增大,水流阻力也在逐渐增大,孔隙介质中的地下水渗流服从非线性渗流规律.达西线性渗流定律只是对斜率变化不大的非线性渗流规律的近似表征.

       

    • 图  1  Darcy实验装置

      Fig.  1.  Darcy's experimental setup

      图  2  达西实验的Re-K曲线

      Fig.  2.  Relationship between Re and K of Darcy's experiments

      图  3  渗流实验装置

      1.供水箱;2.离心泵;3.阀门;4.压力传感器;5.透水石;6.测流容器;7.数据采集器

      Fig.  3.  Seepage experimental setup

      图  4  d=0.25 mm透水石Re-K变化曲线

      Fig.  4.  Relationship between Re and K on water flow in permeable stone (d=0.25 mm)

      图  5  d=0.178 mm透水石Re-K变化曲线

      Fig.  5.  Relationship between Re and K on water flow in permeable stone (d=0.178 mm)

      表  1  Darcy定律适用范围(据Bear, 1983)

      Table  1.   Application of Darcy's law

      Darcy定律成立 Darcy定律不成立
      Re < (1~10) (1~10) < Re < 100 Re>100
      层流区 过渡区 紊流区
      粘滞力起主导作用 粘滞力、惯性力并存 惯性力起主导作用
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      表  2  达西实验成果(粒径d=0.77 mm)

      Table  2.   Results of Darcy's experiments (d=0.77 mm)

      渗透流量Q(l/min) 水头差ΔH(m) 渗透流速u(cm/s) 水力梯度J 渗透系数K(cm/s) 雷诺数Re
      3.60 1.11 0.016 1.91 0.008 1 0.12
      7.65 2.26 0.033 3.90 0.008 5 0.25
      12.00 4.00 0.052 6.90 0.007 5 0.40
      14.28 4.90 0.062 8.45 0.007 3 0.47
      15.20 5.02 0.066 8.66 0.007 6 0.50
      21.80 7.63 0.094 13.16 0.007 2 0.72
      23.40 8.13 0.101 14.02 0.007 2 0.77
      24.50 8.58 0.106 14.79 0.007 2 0.81
      27.80 9.86 0.120 17.00 0.007 1 0.92
      29.40 10.89 0.127 18.78 0.006 8 0.97
      注:渗透断面直径D=0.35 m;渗流长度L=0.58 m;表中Qh的数据引自达西原著译本(Darcy and Bobeck, 2004)第457页,uJKRe为相应的计算值.
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      表  3  粒径d=0.25 mm透水石的渗流实验数据

      Table  3.   Results of experiments in permeable stone (d=0.25 mm)

      渗透流量Q(mL/s) 水头差ΔH(cm) 水力梯度J 渗透流速u(cm/s) 雷诺数Re 渗透系数K(cm/s)
      3.23 46.28 6.61 0.156 3.34 0.023 6
      3.64 53.45 7.64 0.176 3.77 0.023 1
      4.67 68.91 9.84 0.226 4.83 0.023 0
      5.98 88.54 12.65 0.289 6.18 0.022 9
      6.67 99.82 14.26 0.323 6.90 0.022 6
      7.56 113.07 16.15 0.366 7.81 0.022 6
      8.46 126.50 18.07 0.409 8.75 0.022 6
      9.31 140.33 20.05 0.450 9.63 0.022 5
      10.17 155.39 22.20 0.492 10.52 0.022 2
      11.32 174.24 24.89 0.548 11.70 0.022 0
      12.14 188.74 26.96 0.587 12.55 0.021 8
      13.12 205.36 29.34 0.635 13.57 0.021 6
      13.91 219.19 31.31 0.673 14.38 0.021 5
      注:渗透断面面积A=20.67 cm2;渗流长度L=7 cm;表中Qh为实验观测值,uJKRe为相应的计算值,h的测试精度为±1 mm,Q的测试精度为±3.8 mL,表 4同.
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      表  4  粒径d=0.178 mm透水石的渗流实验数据

      Table  4.   Results of experiments in permeable stone (d=0.178 mm)

      渗透流量Q(mL/s) 水头差ΔH(cm) 水力梯度J 渗透流速u(cm/s) 雷诺数Re 渗透系数K(cm/s)
      3.10 68.95 9.85 0.150 2.59 0.015 2
      3.49 78.05 11.15 0.169 2.91 0.015 1
      3.82 87.00 12.43 0.185 3.19 0.014 9
      4.22 98.10 14.01 0.204 3.52 0.014 6
      4.64 108.65 15.52 0.225 3.88 0.014 5
      4.98 117.95 16.85 0.241 4.16 0.014 3
      5.36 127.90 18.27 0.259 4.47 0.014 2
      5.73 138.00 19.71 0.277 4.78 0.014 1
      6.11 148.20 21.17 0.296 5.10 0.014 0
      6.49 158.50 22.64 0.314 5.41 0.013 9
      6.91 169.40 24.20 0.335 5.77 0.013 8
      7.28 179.65 25.66 0.352 6.07 0.013 7
      7.67 190.45 27.21 0.371 6.40 0.013 6
      8.10 201.55 28.79 0.392 6.76 0.013 6
      8.38 210.30 30.04 0.406 7.00 0.013 5
      8.76 220.90 31.56 0.424 7.31 0.013 4
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    • 收稿日期:  2012-12-29
    • 刊出日期:  2013-11-01

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