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2水动力弥散系数-吉林大学
第六章 地下水运动中的专门问题 主要内容 1. 非饱和带中的地下水运动 2. 地下水中的溶质运移(水动力弥散理论) §6.2 水动力弥散理论 1 水动力弥散现象及其机理 先考察一个实例。大致了解一下水动力弥散现象是怎么回事。 例:若在一口井中瞬时注入某种浓度的一种示踪剂,则在附近观测孔中可以观察到示踪剂不仅随地下水流一起位移,而且逐渐扩散开来,超出了仅按平均实际流速所预期到达的范围,并有垂直于水流方向的横向扩散,不存在突变的界面。 上述事实说明,存在一种特殊的现象。因为如果不存在这种现象,示踪剂应按水流的平均流速移动;含示踪剂和不含示踪刑的水的接触界面应该是突变的;示踪剂也不应公横向扩展开来,即有一个以实际平均流速移动的直立锋面。以上事实说明,在两种成分不同的可以混溶的液体之间存在着一个不断加宽的过渡带。这种现象称为水动力弥散。 所谓水动力弥散就是多孔介质中所观察到的两种成分不同的可混溶液体之间过渡带的形成和演化过程。 水动力弥散是由溶质在多孔介质中的机械弥散和分子扩散所引起的。这是一个不稳定的不可逆转的过程。兹分述如下。 1)机械弥散 由于速度不均一所造成的物质运移现象称为机械弥散。由于液体有粘滞性以及结合水对重力水的摩擦阻力,使得最靠近隙壁部分的(重力)水流速度趋近于零,向轴部流速逐渐增大,至轴部最大,孔隙的大小不一,造成不同孔隙间轴部最大流速有差异,孔隙本身弯弯曲曲,水流方向也随之不断改变,因此对水流平均方向而言,具体流线的位置在空间是摆动的。 这几种现象是同时发生的,由此造成开始时彼此靠近的示踪剂质点群在流动过程中不是一律按平均流速运动,而是不断向周围扩展,超出按平均流速所预期的扩展范围。沿平均速度方向和垂直它的方向上,都可以看到这种扩展现象。 2)分子扩散 分子扩散是由于液体中所含溶质的浓度不均一而引起的一种物质运移现象。浓度梯度使得物质从浓度高的地方向浓度低的地方运移,以求浓度趋向均一。 分子扩散服从Fick定律。即: 式中: 为该溶质在溶液中的浓度c沿方向s变化的浓度梯度; 比例系数Dd称为扩散系数,量纲为[L2T-1]。在浓度低的情况下,可以认为它是一个与浓度无关的常数。 液体在多孔介质中流动时,机械弥散和分子扩散是同时出现的,事实上也不可分。 事实上,“纯”机械弥散不可能存在,但分子扩散,即使在没有水流运动的情况下也能单独存在。 当流速较大时,机械弥散是主要的;当流速甚小时,分子扩散的作用就变得很明显。显然,机械弥散和分子扩散都会使溶质既沿平均流动方向扩展又沿垂直于它的方向扩展。前者称为纵向弥散,后者称为横向弥散。 除了机械弥散和分子扩散外,某些其它现象也会影响多孔介质中溶质的浓度分布,如多孔介质中固体颗粒表面对溶质的吸附、沉淀,水对固体骨架的溶解及离子交换等。此外,液体内部的化学反应也可导致溶质浓度的变化。 一般来说,溶质浓度的变化会导致液体密度和粘度的变化。这些变化反过来会影响水流状态,即流速的变化。但在通常情况下,这类影响不大,可以忽略。 2 水动力弥散系数 从宏观上来描述弥散现象,亦即将其定义在典型单元体(REV)上的平均值。机械弥散也能用Fick定律来描述。 多孔介质中的分子扩散描述: I″=—D″·gradc (6-40) 机械弥散描述: I′=一D’·gradc (6-41) 水动力弥散系数D:D= D’+D” (6-40) 式中: D”——多孔介质中的分子扩散系数,量纲为[L2T-1] ,是二秩张量;c——该溶质在溶液中的浓度; I″——由于分于扩散在单位时间内通过单位面积的溶质质量。 D′——机械弥散系数,量纲为[L2T-1],也是二秩张量; I′——由于机械弥散造成的个单位时间内通过单位面积的溶质质量。 D也是二秩张量。由于水动力弥散在单位时间内通过单位面积的溶质的质量则为 I=I′ 十I″=-D·gradc。 如果我们选择x轴与该点处的平均流速方向一致,y轴和z轴则与平均流速方向垂直,则上式也可以
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