（毕业设计论文）《渗流力学研究流体在多孔介质内的运动规律及其应用》.doc

1绪 论 渗流力学研究流体在多孔介质内的运动规律及其应用，是流体力学与多孔介质物理、表面物理、物理化学及其生物学等学科交叉渗透而形成的应用性很强的一门学科。其影响面涉及石油、天然气、煤层气、地下水及地热等地下资源的开发，海水入侵与地面沉降等的防治，以及岩石工程、环境工程、生物工程、航空工程等众多领域。　　 流体力学是人类同自然、灾难作斗争，在长期的生产实践中逐步认识和掌握自然规律，通过科学实践发展起来的，是人类集体智慧的结晶。人类最早对流体力学的认识是从治水、灌溉、航行等方面开始的。在我国水力事业的历史十分悠久。古代的铜壶滴漏（铜壶刻漏）——计时工具，就是利用孔口出流，水位随时间变化的规律来计算时间的。说明当时对孔口出流已有相当的认识。清朝雍正年间，何梦瑶在《算迪》一书中提出流量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。 与我国情况相类似，早在几千年前，在埃及、巴比伦、希腊和印度等地，为了发展农业和航运业，也修建了大量的渠系。古罗马人则修建了大规模的供水管道系统。这些事实说明人们在大量的生产实践中也认识了一些水流运动的规律。但是，真正对流体力学学科形成最早作出贡献的是西西里岛的古希腊学者阿基米德（Archimedes），他在公元前3世纪撰写了“论浮体”，奠定了流体静力学的基础。此后千余年间，流体力学没有重大发展。 流体力学的主要发展是从牛顿时代开始的，1687年牛顿在名著《自然哲学的数学原理》中讨论了流体的阻力、波浪运动等内容，使流体力学开始成为力学中的一个独立分支。此后，流体力学的发展主要经历了三个阶段： 第一阶段：伯努利所提出的液体运动的能量估计及欧拉所提出的液体运动的解析方法，为研究液体运动的规律奠定了理论基础，从而在此基础上形成了一门属于数学的古典“水动力学”（或古典“流体力学”）。 第二阶段：在古典“水动力学”的基础上纳维和斯托克思提出了著名的实际粘性流体的基本运动方程——纳维-斯托克思方程(N-S方程)。 从而为流体力学的长远发展奠定了理论基础。但由于其所用数学的复杂性和理想流体模型的局限性，这些纯理论的推导所作的某些假定与实际不尽相符，或由于数学上难于求解，不能满意地解决工程问题，故为了解决生产实际问题，另一类的研究是从大量的实验和实际观测中总结出来一些经验关系式，并根据简化后的一维方程进行数学分析，建立各运动要素间的定量关系。便形成了以实验方法来制定经验公式的“实验流体力学”。但由于有些经验公式缺乏理论基础，使其应用范围狭窄，且无法继续发展。 第三阶段：从19世纪末起，人们将理论分析方法和实验分析方法相结合，以解决实际问题，同时古典流体力学和实验流体力学的内容也不断更新变化，如提出了相似理论和量纲分析，边界层理论和紊流理论等，在此基础上，最终形成了理论与实践并重的研究实际流体模型的现代流体力学。20世纪以来，随着生产和科学技术的发展，特别是航空技术堵塞迅速发展，使得理论分析和实验方法日益结合，形成了现代流体力学。根据侧重不同，又可将侧重于理论分析的流体力学称为理论流体力学，将侧重于应用研究的流体力学称为工程流体力学。流体力学的应用更是日益广泛。 近二十多年来，物理化学渗流、生物渗流、非牛顿流体渗流、非等温渗流、微渗流、流固耦合渗流、低渗介质渗流等都发展很快。在理论渗流力学迅速发展的同时，现代计算技术和现代实验技术的飞速发展促进了计算渗流力学和实验渗流力学获得重大进展，从内容、方法到研究手段上的改变，也将导致科学的重新分化和组合。非线性微分方程的数值计算和数值模拟方法，尤其是计算流体力学中，介质面、激波等等运动界面问题，或者间断解问题的数值模拟，是极为迫切的，也是计算流体最为困难的任务。自1965年首次发表了用有限元法求解势流问题的文章以后，效值计算在流体力学领域中呈现出广阔的前景，六十年代后期，那时还只限于流体力学中的线性问题，到七十年代初期，已进展到非线比问题的数值解，这方面的计算科学新方法、新思想和理论也就应运而生，其发展和创新的势头，研讨的内容之广泛，几乎可以与计算机科学的发展媲美。 2 流体力学简介 2.1流体力学的概念 力学是研究物体机械运动的科学，是研究眼睛能看得见的宏观运动，而不涉及微观分子、原子的运动。流体力学是力学的一个分支，它是把流体作为研究对象，所说的流体包括液体和气体，主要研究流体和流体、流体和固体之间的作用和反作用的科学。 流体力学的研究方法有理论、计算和实验三种，根据研究方法的不同，流体力学又可以分为理论流体力学、实验流体力学和计算流体力学。理论流体力学的研究一般是通过科学的近似建立理论模型，然后利用数学方法求出理论结果，从而清晰普遍的揭示出物质运动的内在规律。实验流体力学的研究主要是在风洞、水槽等实验设备中进行模型实验或实物实验，它的特点是能在与所研究的问题完全相同或