达西(Darcy)早在1856年就研究了堆积床层最基本的压力降和流量的关系,该床层是由固体颗粒堆积而成,见图2-1。流体流经颗粒床层的间隙,液体与固体颗粒表面的摩擦造成了流动阻力和压力降。
颗粒堆积床层内所含固体颗粒的多少显然具有决定性意义。固体颗粒数目越多,液体流经的内部表面积越大,固液两相间的摩擦越大,压力降就越高。颗粒床层内液体能够流过的孔隙占总体积的比例称为孔隙率,定义如下:
孔隙体积
床层总的体积
在许多固液分离情况下,孔隙率常用颗粒床层内固体颗粒所占体积分数来描述固体颗粒浓度,而孔隙率是孔隙所占的百分数,所以这两个分数是相互关联的,即固体颗粒体积分数浓度为:达西发现了压力降与流体流速存在正比关系[Darcy, 1856],见图2-2。
图中比例常数决定于多孔介质的渗透率为(m2)。达西定律把液体流过多孔介质的规律与电学中描述电流流经电阻的欧姆定律作了合理的类比。
类比如下:两种情况下流动的推动力分别是电位差或单位高度的压降,流动强度是电流 或流体速度,而相对应的比例常数分别为电阻或黏度与渗透率的比。黏度的增加或渗透率的减少,都会导致流动阻力的增加。
任何情况下,只要存在流体流动,就会存在流动阻力。阻力无非来自两个方面:一个是与黏性相关的表面摩擦(黏性阻力);一个是与几何障碍相关的形状阻力。前者导致在固体颗粒表面形成了一层液体静止层,因此,固体颗粒和液体表面之间的摩擦、速度不同流层之间的摩擦,就形成了流动阻力或压力损失。后者则反映了除摩擦阻力以外的,流速较高时由于强烈的湍流和方向变化等造成的湍流涡漩引起的压力损失。如果这种损失所占比例较大, 会破坏流速与压力降之间的线性关系。从修正雷诺数可以区别流动类型,并判断何种阻力占优。大多数实际情况下,料浆通过多孔介质的流动是低速的,可假设是层流状态,形状阻力可以忽略不计。