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单相流的连续方程求解

【摘要】:在流场中任取一个控制体Ω,该控制体内有多孔固体介质,孔隙度为φ。多孔介质被流体所饱和。在控制体内任意取一体元dΩ进行研究。在多孔介质不变形的情况下,孔隙度φ保持恒定,则φ可从偏导数中分离出来。式是非稳态有源流动连续性方程的一般形式。根据三维达西流方程,有当域内不存在源或汇时,非稳态渗流的连续性方程转化为对于流体不可压缩情形,连续性方程转化为

在流场中任取一个控制体Ω,该控制体内有多孔固体介质,孔隙度为φ。多孔介质被流体所饱和。包围控制体的外表面为S,在外表面上任取一个面元dS,其外法线方向为n,通过面元dS的渗流速度为V,于是单位时间通过面元dS的流体质量为ρV·ndS。通过整个外表面的流体总质量为

在控制体内任意取一体元dΩ进行研究。对不可压缩流体,流体密度的变化使得dΩ内的质量增加量为[∂(ρφ)/∂t]dΩ,整个控制体Ω内的质量增加量为

当控制体内有源(汇)分布时,若其强度为q,则单位时间内体元dΩ产生(流入或流出)的流体质量为qρdΩ。单位时间内整体Ω由源(汇)分布产生(吞没)的流体质量为

根据质量守恒定律,控制体内流体质量的增量应等于源分布产生的质量减去通过表面流出的流体质量,由此可得到积分形式的连续性方程

利用高斯公式,式(1.85)中的面积积分项可以化为ρV散度的体积分,即

将式(1.86)代入式(1.85)得到

由于控制体Ω是任意的,只要被积函数连续,则整个体积分等于零必然导致其被积函数为零,于是得到微分形式的连续性方程

式(1.88)右端项为源(汇),强度项q对源或汇分别取正值和负值。在多孔介质不变形的情况下,孔隙度φ保持恒定,则φ可从偏导数中分离出来。式(1.88)是非稳态有源流动连续性方程的一般形式。

对于无源非稳态渗流,连续性方程为

对于有源稳态渗流∂(ρφ)/∂t=0,连续性方程为

对于有源稳态渗流,且流体不可压缩,即ρ为常数,连续性方程为

对于无源的稳态渗流,连续性方程为

对于无源稳态渗流,且流体不可压缩,即ρ为常数,连续性方程为

在渗流力学中,往往对渗流速度值不是特别关心,将连续性方程与达西定律联合起来可以消去渗流速度V,得到以压力p与密度ρ表示的连续方程表达式。根据三维达西流方程,有

当域内不存在源或汇时,非稳态渗流的连续性方程转化为

对于流体不可压缩情形,连续性方程转化为