什么是达西定律?
达西定律描述流体(最常见的是地下水)在砂、砾石或裂隙岩体等多孔介质中的渗流规律。它指出:体积渗流量与介质的渗透系数、可供水流通过的过水断面积,以及驱动水流运动的水力梯度成正比。本计算器是一款通用的物理与水文地质工具,凡采用国际单位制(SI)的场合均可使用,不受国家或地区限制。
如何使用本计算器
依次输入渗透系数 K(m/s)、过水断面积 A(m²)、沿渗流路径的水头差 dh(m),以及渗流路径长度 dL(m)。计算器将返回以 m³/s 为单位的体积渗流量 Q,同时给出水力梯度和达西流速。
公式解析
经典形式为 \(Q = -\text{K} \cdot \text{A} \cdot \frac{\text{dh}}{\text{dL}}\)。式中的负号表示水流沿水头降低的方向运动。当 dh 取为沿渗流方向的水头降落值(即正数)时,计算结果为正的渗流量:
$$Q = \text{K} \cdot \text{A} \cdot \frac{\text{dh}}{\text{dL}}$$其中 dh/dL 为无量纲的水力梯度 i,而 q = K·i 即为达西流速(比流量、又称渗流速度)。
计算示例
假设 \(K = 0.01 \text{ m/s}\),\(A = 10 \text{ m}^2\),\(dh = 2 \text{ m}\),\(dL = 20 \text{ m}\)。则水力梯度 \(i = 2/20 = 0.1\)。于是
$$Q = 0.01 \times 10 \times 0.1 = 0.01 \text{ m}^3/\text{s}$$达西流速 \(q = 0.01 \times 0.1 = 0.001 \text{ m/s}\)。
常见问题
达西流速是孔隙中的真实流速吗?不是。达西流速假定水流均匀通过整个断面;真实的渗透流速(实际孔隙流速)应等于 q 除以有效孔隙率。
应该使用什么单位?请统一使用国际单位制(m、m²、m/s),这样得出的 Q 才是 m³/s。
达西定律是否在任何情况下都适用?它仅适用于层流(低雷诺数)状态。在流速极高或粗颗粒介质中出现紊流时,则需要采用非达西流的修正公式。