热-流-固耦合作用下岩石裂隙渗流演化数值研究

贺 逸^*，杨永亮，刘 博，曹国庆

(太原科技大学 能源与材料工程学院，山西 太原 030024)

摘　要：　为揭示废弃矿井粗糙裂隙在热-流-固全耦合条件下的渗流-传热演化机理，为地热开采提供理论依据，基于三维激光扫描获取的真实裂隙点云，在COMSOL中耦合Navier-Stokes-Forchheimer、能量与线弹性方程，建立了渗透压压力梯度0.05～0.60 MPa/m、围压5～25 MPa、壁面温度20～90 ℃的单裂隙模型，并设置理想平行板与平行粗糙板模型作为对照。结果表明：真实粗糙板模型在Re≈1时即偏离达西流状态，其Forchheimer系数B较理想平行板模型高一个量级;当力学开度b由0.923 5 mm增至1.308 3 mm时，渗流的非线性程度降低40%; 绝对粗糙度σ每增加0.1 mm，Forchheimer系数B提升15%～25%。相对粗糙度σ/b的增大使换热幂律系数n提升38%;在相同流量条件下，小开度高粗糙裂隙的对流换热系数h比大开度光滑裂隙高22%。当壁面温度由20 ℃升至90 ℃时，渗流的非线性程度再增加20%。围压升高促使裂隙接触面积占比ΔA*由0.15增至0.42，导致渗透率降幅达1.6个量级。分析证实粗糙结构通过“惯性-通道化”竞争同时控制渗流与换热，可直接用于矿井地热储层模拟。

关键词：　裂隙粗糙度; 热-流-固耦合; 换热强化; COMSOL模拟; 渗透率演化

引文格式： 贺逸，杨永亮，刘博，等. 热-流-固耦合作用下岩石裂隙渗流演化数值研究[J]. 市政技术，2026，44(2)：138-154. (HE Y，YANG Y L，LIU B，et al. Study on evolution numerical of rock fractures seepage under thermo-fluid-solid coupling[J]. Journal of municipal technology，2026，44(2)：138-154.)