基于精细化的CFD-DEM方法，对典型孔隙-喉部结构中颗粒迁移和堵塞行为进行的数值模拟研究

《Powder Technology》：Numerical simulation study on particle migration and clogging behavior in typical pore-throat structures based on the resolved CFD-DEM method

颗粒迁移与堵塞机制在收缩、分歧及大喉道孔隙介质中的研究，采用CFD-DEM-IBM耦合方法结合动态网格划分技术，揭示颗粒尺寸比与流体条件对堵塞的调控作用，建立孔隙结构-流体动力学-颗粒行为的多尺度耦合模型。

　　

郑宇|刘宝蕾|赵亮|邹存友

中国武汉长江大学石油工程学院，邮编430100

摘要

颗粒在多孔介质中的迁移和堵塞现象对水库开发和地下水修复有显著影响。然而，对于典型孔隙结构及其对颗粒动力学影响的系统比较仍然不足。本研究采用完全解析的CFD-DEM-IBM框架，并结合动态网格细化技术，模拟了三种代表性孔隙结构（狭窄孔隙、分叉孔隙和大孔隙）中的颗粒传输和堵塞过程。结果表明，在狭窄孔隙中，堵塞倾向主要受颗粒与孔隙尺寸比以及流体动力条件的控制，随着颗粒尺寸的增加，颗粒从自由迁移逐渐转变为间歇性堵塞，最终达到稳定堵塞状态。对于分叉孔隙，较窄分支的堵塞会导致流体分布显著改变，并显著改变局部压力场。在大孔隙中，颗粒积聚会导致复杂的内部流动模式，最终可能导致孔隙堵塞。所提出的模型能够准确捕捉堵塞动力学过程，为预测复杂多孔介质中的颗粒迁移和堵塞行为提供了参考。

引言

颗粒在多孔介质中的迁移-堵塞行为是油气水库开发和地下水污染控制领域的一个关键研究问题[1]、[2]、[3]。传统的实验方法由于难以观察微观结构而存在局限性，而传统的数值模拟方法忽略了颗粒与流体之间的局部相互作用，因此难以准确反映孔隙特征对颗粒动力学的影响[4]。近年来，完全解析的CFD-DEM耦合方法通过浸没边界法（IBM）实现了对颗粒边界流场的精细分析，为微观尺度流动研究提供了新的方法[5]、[6]、[7]。

早期关于多孔介质中颗粒迁移和堵塞的研究主要集中在通过实验和简化模型分析介质内的流动和质量传递特性。Zuriguel等人[8]通过筒仓排放实验系统研究了颗粒堵塞的统计规律，发现堵塞概率与孔隙开口直径呈指数关系，并首次提出了堵塞拱结构的力链网络理论。To等人[9]通过实验和理论模型揭示了单分散颗粒在漏斗孔隙中的堵塞机制，发现堵塞概率随开口尺寸的增加而减小，拱结构的形成可以视为一种几何约束下的自避免随机行走轨迹，几何条件和摩擦是调节堵塞的关键因素。Roussel等人[10]从流变学的角度研究了颗粒悬浮液的稳态流动特性，并基于颗粒浓度和剪切率提出了本构关系，为理解颗粒-流体两相流动的微观机制提供了理论框架。Alem等人[11]通过长期追踪实验研究了将高岭石悬浮颗粒（颗粒尺寸1.7-40μm）注入饱和多孔介质后的物理堵塞过程，探讨了流速、过滤时间和颗粒多分散性对介质水力特性的影响。周永超等人[12]利用X-CT技术和尺寸分析讨论了渗流作用下颗粒在多孔介质中的迁移和堵塞现象，发现颗粒尺寸比和渗流速度共同影响颗粒渗透率，并确定了堵塞的阈值边界。

近年来，随着计算能力的提高和数值模拟方法的快速发展，研究人员开始将CFD-DEM耦合方法应用于更复杂的多孔介质系统。离散元方法（DEM）由Cundall和Strack于1979年首次提出[13]，为通过追踪每个颗粒的运动和相互作用力来动态模拟颗粒系统奠定了基础。Tsuji等人[14]通过将DEM与计算流体动力学（CFD）耦合，开发了CFD-DEM方法，成功模拟了流化床中颗粒和流体的两相流动，开创了该领域的研究。如今，基于CFD-DEM耦合框架的颗粒-流体两相流动模拟已成为研究孔隙尺度上颗粒传输、聚集和堵塞行为的主流方法。Feng等人[15]利用CFD-DEM方法研究了颗粒尺寸和浓度对多孔介质中颗粒迁移行为的影响，揭示了临界颗粒尺寸（颗粒尺寸比为0.15）在显著降低渗透率方面的关键作用，并指出浓度的增加主要影响外部滤饼的厚度而非内部颗粒分布。Xu等人[16]研究了孔口处多分散颗粒系统的堵塞行为，发现堵塞概率主要由大颗粒（尤其是d90颗粒）主导，提出了孔口直径与d90颗粒尺寸的比值作为预测堵塞的关键无量纲参数，并首次揭示了多分散颗粒桥拱结构的“自雪崩”现象。Xiong等人[17]利用CFD-DEM耦合方法模拟了细颗粒在渗流侵蚀中的堵塞效应，揭示了孔隙尺寸、流速和细颗粒浓度对堵塞程度、分布和微观机制的影响。Elrahmani等人[18]基于真实CT扫描的孔隙结构和浸没边界法构建了耦合的CFD-DEM孔隙尺度模型，模拟了胶体级细颗粒在三维多孔介质中的迁移和滞留行为，并通过微流控实验验证了其准确性，揭示了流速和颗粒尺寸对渗透率降低的影响。Gong等人[19]利用高分辨率CFD-DEM方法系统模拟了支撑剂在逐渐变窄的裂缝中的迁移和桥塞行为，揭示了颗粒与壁面之间的粘聚力共同作用形成的桥拱结构的演变机制，并首次数值验证了裂缝宽度与颗粒尺寸比约为1.9时的桥塞临界条件。Sun[20]利用CFD-DEM方法数值模拟了水流驱动颗粒在水饱和多孔介质中的滞留行为，表明颗粒直径和浓度的增加都会加剧堵塞现象。大颗粒或高浓度颗粒倾向于在入口处积聚，而中等浓度颗粒更可能滞留在内部，明确了桥接机制在降低渗透率方面的关键作用。

目前，大多数研究集中在单一孔隙结构上，对于狭窄孔隙、分叉孔隙和大孔隙等典型孔隙结构的系统比较和定量分析以及颗粒迁移机制的研究仍不够充分，关于临界堵塞颗粒尺寸与孔隙形态之间的耦合关系也尚未达成共识。为了解决这些问题，本文基于CFD-DEM-IBM解析框架，结合边界特征细化算法和动态网格细化技术，构建了狭窄孔隙、分叉孔隙和大孔隙的多尺度数值模型。通过分析不同颗粒尺寸（5-30μm）颗粒在典型孔隙中的速度分布、压差变化和堵塞动态，揭示了孔隙形态、颗粒尺寸和流动参数之间的耦合机制。构建了准确的数值模型，用于模拟不同形状、尺寸和分布的孔隙结构中颗粒和流体的流动过程，揭示了孔隙特征对流体流动的影响机制，并探讨了优化模拟算法以提高模拟效率和准确性的策略，为预测多孔介质中颗粒的迁移和堵塞行为提供了参考。

部分内容摘要

完全解析的CFD-DEM耦合方法

在完全解析的CFD-DEM耦合方法中，颗粒尺寸应远大于CFD网格尺寸（通常要求为颗粒直径的1/3或更小），每个颗粒覆盖数十个CFD单元格，颗粒与流体相之间的相互作用是通过沿颗粒边界积分直接计算的[21]。在此方法中，颗粒相通过虚拟域方法表示[22]，两个相中仅存在一个速度和压力场。

不同孔隙结构的数值模型建立

根据扫描电子显微镜（SEM）对水库多孔介质微观形态的了解，孔隙形态主要分为三类：狭窄孔隙、分叉孔隙和大孔隙。基于这三种孔隙形态，构建了相应的数值模型并进行了网格划分，孔隙结构的扫描电子显微镜图和网格划分图如下所示

狭窄孔隙下的颗粒迁移-堵塞行为

本节通过模拟探讨了不同颗粒尺寸颗粒在狭窄孔隙结构中的迁移-堵塞行为特征，重点关注导致堵塞现象的临界颗粒尺寸。在本节的模型中（见图12），狭窄处的最小孔隙直径设置为40μm，并研究了五种颗粒尺寸梯度（5μm、10μm、15μm、20μm、25μm）下的颗粒迁移-堵塞特性

模型的尺寸特性和三维效应的局限性

本研究中使用的3D计算域在深度方向上具有恒定尺寸，相当于一个3D切片或通道模型。需要注意的是，这种准3D几何结构与完全3D孔隙网络有以下区别：

1.

桥拱稳定性：在真实的3D孔隙网络中，颗粒具有额外的重新排列自由度，桥拱周围存在潜在的泄漏路径（如颗粒间隙、侧向通道）。因此，临界堵塞

结论

基于完全解析的CFD-DEM-IBM耦合方法，并结合自适应网格加密技术，系统研究了三种典型孔隙结构中的颗粒迁移和堵塞行为，通过模型验证、参数模拟和无量纲分析得出了以下主要结论：

对于狭窄孔隙，堵塞倾向受颗粒与孔隙尺寸比（$\lambda =d/d_{\mathrm{throat}}$

CRediT作者贡献声明

郑宇：撰写——初稿、研究、数据分析、概念化。刘宝蕾：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、资源管理、项目管理、方法论、资金获取、数据分析、概念化。赵亮：撰写——审稿与编辑、验证、软件开发、项目管理、研究、资金获取。邹存友：撰写——审稿与编辑、验证、资源管理、项目

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：刘宝蕾报告获得了中国国家自然科学基金的支持；刘宝蕾还报告获得了中国科学技术部国家重点科技项目的支持。如果有其他作者，他们也进行了相应的声明

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52174019）、中国科学技术部国家重点科技项目（项目编号：2025ZD1406407、2025ZD1405902、2025ZD1407501）的支持。