非均质多孔介质中悬浮颗粒堵塞动力学及其渗透率降低机制研究

针对非均质多孔介质中颗粒迁移与堵塞机制不明确的问题，研究人员采用CFD-DEM（计算流体动力学-离散元法）耦合框架，通过三维非均质填充床模型系统研究了颗粒尺寸分布（d50）与介质异质性（Cu）对渗透率的影响。发现临界颗粒尺寸比（Rp=0.175）和均匀系数（Cu=1.24）是决定堵塞峰值的关键参数，为废水处理、药物递送等工程应用提供了理论依据。

　　

多孔介质中颗粒迁移与堵塞现象是环境工程和生物医学等领域的核心问题。传统研究多聚焦于均质介质，而实际工程中广泛存在的非均质性（如孔隙大小分布差异）导致现有模型预测偏差。中国研究人员通过创新性结合计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）与离散元法（Discrete Element Method, DEM），首次揭示了非均质多孔介质中颗粒堵塞的动态规律。

研究团队构建了三维随机填充床模型，保持中值粒径（d₅₀）恒定但改变粒径分布，通过双向流固耦合模拟发现：当悬浮颗粒与介质颗粒尺寸比（R_{pu）在1.24时堵塞概率最大。这些发现突破了传统Kozeny-Carman方程对均质介质的限制，为设计高效过滤系统提供了新思路。}

关键技术包括：1）CFD-DEM双向耦合算法模拟流体-颗粒相互作用；2）基于重力沉积的自压实多孔介质建模；3）通过临界R_p和C_u参数量化堵塞阈值。

【Model Assumptions】
采用刚性球体假设简化接触力学计算，忽略颗粒形变和流体压缩性，聚焦机械异质性影响。

【Comparison with K-C equation】
通过对比经典Kozeny-Carman方程验证模型准确性，发现异质性介质中实际渗透率显著偏离理论预测。

【Initial condition】
在1cm×1cm×3cm计算域内建立随机堆积模型，恒定流速入口边界条件下捕捉颗粒迁移轨迹。

【CONCLUSIONS】
研究首次阐明介质异质性与颗粒尺寸的协同作用机制，证明适度增加C_u可优化过滤性能，为《Journal of Environmental Chemical Engineering》报道的这项研究在污染物阻控和靶向给药等领域具有重要应用价值。Huilin Hou等人的工作得到中国国家重点研发计划（2022YFE0129900）和山东省泰山学者计划支持。