达西在1856年通过了大量的实验研究,总结得出渗流
能量损失与
渗流速度之间的关系,即
达西定律。
达西实验装置如图所示。圆筒横断面积为A,其中充填均匀的砂粒,砂层厚度为l,由金属网支托。水由稳压水箱经水管A流入圆筒中,再经砂层渗滤后由
出水管B流出。其流量由量筒C量测,在砂层上下两端装测压管以量测渗流的
水头损失。由于渗流流速极小,所以
流速水头可以忽略不计,总水头可用测压管水头来表示,水力坡度可以用测压管坡度来表示:
达西分析了大量实验资料,得到圆筒内的渗流量Q与圆筒横断面积A和水力坡度J成正比,并和砂层的透水性能有关。达西建立的基本关系为:Q=kAJ,也可以写成V=Q/A=kJ,式中 k为渗流系数,反映了土壤的透水性能。
实验发现,随着雷诺数Re的增加,多孔介质(砂层)中的流动状态经历三个区域:①线性层流区:粘性力占优势,达西定律成立,上限约在Re=10左右;②非线性层流区(过渡区):为主要被惯性力制约的层流,达西定律不成立,上限约在Re=100左右,在上限附近开始有层流到湍流的过渡;③湍流区:惯性力占优势,达西定律不成立。由此可见,从上限雷诺数方面偏离达西定律与层流到湍流的过渡不是完全等价的。
在渗流速度很低时,流体与介质间的表面分子力作用显得更为重要。部分液体的滞流现象使孔隙度发生变化,从而引起渗透率的相应变化。实验表明,这时孔隙度和渗透率均随渗流速度的增加而增加,速度到某一临界值后不再变化,因此不遵循达西定律。