分形多孔介质中气液两相流动的耦合机制：基于VOF模型的孔隙尺度模拟与分形维度调控研究

为解决分形多孔介质中气液两相流动的微观结构-流动耦合机制不明确的问题，中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室的研究团队通过蒙特卡洛生成分形多孔介质与体积流体（VOF）模拟相结合的方法，系统研究了分形维度（Df）对流动动力学和驱替效率的影响。研究发现，低Df（1.25~1.45）加速指进突破（峰值速度1.73 m/s），而高Df（1.7）通过降低界面曲率使涡量生成增加3倍（涡黏度0.033 Pa·s）。该研究为工程应用中多孔介质结构优化提供了定量理论依据。

　　

自然界中的多孔介质，如砂岩、土壤等，普遍具有复杂的分形结构，其气液两相流动行为在油气开采、CO₂封存等领域至关重要。然而，传统欧几里得几何模型难以描述这种多尺度异质性，分形维度（D_f）如何定量调控流动特性仍是未解难题。中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室的研究团队在《CMES - Computer Modeling in Engineering and Sciences》发表论文，通过创新性结合蒙特卡洛生成的分形多孔介质与体积流体（Volume of Fluid, VOF）模拟，揭示了D_f对流动路径、相分布和能量耗散的核心作用。

研究采用三个关键技术：1）基于蒙特卡洛方法生成D_f为1.25~1.7的十组分形多孔介质模型；2）通过ANSYS Fluent的VOF求解器模拟气液两相流动（气体注入速率0.05–5 m/s）；3）采用连续表面力（CSF）模型捕捉界面张力效应，时间步长设为1×10^?5秒以保证界面分辨率。

建模方法验证

通过对比Berea砂岩CT微结构的模拟与实验数据，在气相分数f_av≥0.6时突破距离误差<2%，证实了模型的可靠性。

分形维度的动态调控

低D_f模型（1.25~1.45）因双峰孔隙分布表现出更快的指进突破（峰值速度1.73 m/s），而高D_f（1.7）通过减小曲率半径使涡黏度提升至0.033 Pa·s，涡流强度增加3倍。

能量耗散机制

压力差在D_f=1.25~1.3区间剧增（0.4~6.3 Pa），随后进入惯性平台（D_f=1.7时为4.8 Pa），表明分形结构通过增强连通性缓解了湍流耗散（涡量峰值0.033 Pa·s）带来的阻力。

相分布非线性响应

平衡气相分数f_av随D_f非线性增长至0.692（D_f=1.7），毛细管主导条件（0.05 m/s）下可达0.72，而惯性 regime（0.5 m/s）降至0.65，揭示了流速与微观结构的耦合效应。

该研究首次定量建立了分形拓扑与多相流态的关联，证实D_f通过调控 preferential pathways（优先路径）、能量耗散和相分布主导流动效率。未来工作将拓展至三维CT重建模型和非牛顿流体耦合分析，为地下资源开发与环境工程提供更精准的预测工具。