近日，合肥工業大學資源與環境工程學院錢家忠教授團隊在裂隙兩相流非達西機理方面取得新的研究進展，相關研究成果以“Non-darcian behavior of two-phase flow in a vertical fracture with tortuous”為題在工程地質領域頂級學術期刊《Engineering Geology》上發表。合肥工業大學為論文的第一和通訊作者單位，河海大學為論文合作單位。論文第一作者為博士研究生王京平，通訊作者為錢家忠教授和馬海春副教授。

裂隙介質中，流體的流動規律是地熱資源開發、核廢料地質處置以及油氣資源開采等關鍵工程領域所關注的核心科學問題。傳統的達西定律用于闡述低流速條件下的單相流體行為，但在實際工程應用中，垂直裂隙內往往出現氣-水兩相流動現象，且在高流速情況下，慣性效應變得尤為突出，從而使得流動表現出非達西特性。此外，裂隙表面的粗糙度以及流道的曲折性進一步增加了流動復雜性。然而，現有的模型在準確描述兩相流中的非達西行為以及相對滲透率變化方面存在局限性，這限制了在工程實踐中對流體運移進行精確預測的能力。

該研究團隊構建了三維粗糙垂直裂隙的數值模型，并結合Navier-Stokes方程與Cahn-Hilliard相場方法，對氣-水兩相在浮力驅動下的非穩態流動過程進行了模擬。通過高斯隨機分布生成了具有不同粗糙度的裂隙表面，并系統地分析了在雷諾數（Re = 998~44,134）范圍內，流速、飽和度與滲透率之間的非線性關系。本研究創新性地提出了一種融合裂隙表面曲折度與非達西系數的理論模型，建立了水相相對滲透率與流速、飽和度及幾何參數之間的定量關系，突破了傳統達西模型和單一經驗公式的局限性。研究結果表明，當雷諾數超過998時，流動顯著偏離達西定律，Forchheimer方程可有效描述高流速下的非線性壓降。此外，本研究發現傳統曲折通道方法（TCA）因未考慮浮力驅動下的氣-水分布差異存在偏差，新模型通過引入表面彎曲度參數，將預測精度提升了20%以上，為工程應用提供了更可靠的評估工具。該成果為裂隙介質中的多相流預測提供了新的研究范式，可直接應用于增強型地熱系統的裂隙網絡優化、核廢料庫防滲設計及頁巖氣開采中的水力裂隙評估。例如，在核廢料處置庫中，非達西效應會加速放射性核素的遷移，傳統模型可能低估風險，而新模型可精準量化流速與滲透率關系，為安全屏障設計提供了關鍵參數。

近年來，合肥工業大學資源與環境工程學院裂隙水非線性滲流團隊在地下水資源化評價利用研究領域取得了一系列研究成果。在錢家忠教授和馬海春副教授的帶領下，近五年圍繞該方向發表中科院2區以上論文達30余篇。

（a-b）兩相流和單相流中位置水頭的對比（c）水相飽和度變化下的位置水頭梯度動態特性

（a）TCA方法提出的通道曲折度計算和通道面積的示意圖（b）裂隙表面的曲折度、水相界面的表面積及其投影面積

（a-b）數值實驗與TCA方法估算相對滲透率的對比分析（c）在曲折垂直裂隙中，兩相流動結構在垂直平面（xz）上的投影特征