摘要：针对考虑颗粒形状因素，研究颗粒球形度为0.9条件下，颗粒在介质内流动传热规律。使用Fluent软件，基于DDPM方法，采用非球形曳力模型（Nonspherical Drag Law），建立二维几何流动传热模型，设置壁面为无滑移壁面，壁面固定热通量为500 W/m2，进行数值模拟仿真。结果表明：对于球形度为0.9的稠密非球形颗粒，颗粒粒径从2μm增至5μm，颗粒的平均速度下降约34%，颗粒的平均温度从291.91 K降至290.56 K，呈下降趋势，而颗粒最高温度从301.7 K升至302.51 K，呈上升趋势。流体流速从0.1 mm/s增至0.5 mm/s时，颗粒平均温度从288.91 K增至292.2 K后降低到291.31 K，呈现先上升后下降趋势；同时随着流速的增大，颗粒平均温度上升，而颗粒最高温度先上升后下降，在o=0.5 mm/s高流速时的颗粒最高温度为298.95 K，相比其他流速最低，主要是由于低流速阶段，流速增大会加速颗粒运动并提升对流换热效率，促使颗粒平均温度升高；流速持续提升时，流体吸热占比增大与颗粒滞留时间缩短，导致颗粒吸热量锐减，最终引发颗粒-流体体系的平均温度与峰值温度降低。
关键词：多孔介质,非球形颗粒,稠密颗粒,颗粒传热
0引言
能源开发利用构成现代社会可持续发展的基石，直接关乎国家核心竞争力与综合国力的战略地位[1]。破解能源困局不仅需要持续深化传统油气资源勘探开发，更需重点突破页岩油气、致密砂岩油气及地热能等非常规能源的开采技术瓶颈[2]。地热能作为极具开发潜力的可再生战略新能源，相较于太阳能、风能等间歇性清洁能源，具有运行稳定性高、无间歇性波动等突出优势[3]。埋深200~3 000 m的中深层水热型地热资源凭借其分布范围广特性和成熟的开发技术体系，成为当前提升地热能在能源结构中战略地位的核心开发方向[4]。然而地热水回灌技术是实现地热资源可持续开发的核心环节，其核心挑战在于长期运行中因颗粒迁移、沉积引发的多孔介质堵塞问题。堵塞现象的本质是热-流-固-化多场耦合作用的结果，其中颗粒的传热特性直接影响储层温度场分布与热突破时间。传统研究多基于球形颗粒假设，但实际地质介质中的颗粒形态复杂（如片状、纤维状、棱角状等），其非球形特征通过改变比表面积、颗粒间接触热阻及孔隙流场结构，显著影响传热效率[5]。
而储层可以看作多孔介质，其内部充满了曲折的孔隙通道。多孔介质是由固相骨架及其分割形成的孔隙网络共同构成的复合体系，其内部孔隙空间的连通性并不统一[6]。对于多孔介质的分类，按成因划分，分为天然多孔介质[7]和人造多孔介质[8]。同时多孔介质广泛存在于自然界和工程领域，如油气储层开发、地热资源利用、化工催化反应、生物组织工程及核废料处理等[9]。在这些应用中，传热过程往往与流体流动及颗粒输运行为紧密耦合，而流速以及粒径作为流体动力学中的核心参数，对多孔介质内的传热效率、颗粒分布及系统稳定性具有决定性影响。对多孔介质内颗粒流动及传热特性的研究众多，其采用数值模拟方法也各有不同，例如洪贯洲[10]采用计算流体动力学-离散元法（CFD-DEM）表征井筒内岩屑运移；倪晋仁等[11]基于颗粒动理学理论框架，利用改变颗粒的浓度揭示流体介质中球形颗粒耦合机制；金磊等[12]采用三维格子Boltzmann方法在孔隙尺度上对土石混合体的渗流特性进行数值模拟，研究不同条件下块石含量对渗透率产生差异性影响的内在机理；邵宝力[13]基于格子玻尔兹曼方法框架的有限体积颗粒（FSP）技术，建立多孔介质的流动-传热协同作用数值模拟；宋慧慧[14]基于离散元软件PFC3D构建复杂非规则颗粒的孔隙介质三维数值模型并建立与格子玻尔兹曼方法（LBM）方法的渗流模拟，最终都未揭示颗粒在多孔介质内的流动传热规律。
当外来侵入颗粒与储层流体-岩石体系间存在温度梯度时，将触发颗粒-孔隙-流体多相界面的热交换过程，具体表现为热传导与热对流的协同作用，导致储层温度场发生动态重构，并深刻影响多孔介质内部的温度变化。需特别指出，储层温度场的时空演变规律可作为解析孔隙流体流动特征的重要诊断依据[15]。随着深层地热开发向高温（>150℃)高渗储层环境拓展，对于非球形颗粒在多孔介质内的流动传热机理研究已愈发重要。为此，本文基于离散相模型稠密颗粒（DDPM），引入颗粒球形度参数化表征方法，在二维孔隙尺度上数值重构非球形颗粒的传热行为，揭示非球形颗粒对多孔介质传热的影响规律。
1控制方程
采用DDPM（Density Discrete Phase Model）对非球形颗粒流传热进行模拟。在模型中，在质量和动量方程中考虑了各相的体积分数。液相的欧拉控制方程如式（1）~（2）所示。
图9中，颗粒平均温度却随粒径增大从291.91 K降至290.56 K。造成这一现象的主要原因是由于小粒径非球形颗粒如粒径为2μm时，因小粒径颗粒比表面积大、与流体接触更充分，其与流体间的对流传热效率更高，能够快速吸收壁面传入的热量并传递至流体，促使颗粒整体温度均匀升高。此外，对于稠密颗粒，小粒径颗粒由于相比大粒径具有更高的速度，增强了颗粒群的混合度，促使热量在介质内更均匀分布，从而提升了颗粒的平均温度。反观颗粒粒径为5μm的大粒径颗粒，尽管局部最高温度更高，但其运动速度低导致颗粒群流动性差，颗粒易发生堵塞，此外，壁面固定热通量条件下，热量持续输入使近壁面颗粒优先受热，大颗粒因滞留时间长而持续吸收热量，但因传热效率低导致热量堆积，进一步提高局部温度。同时又由于颗粒-流体间传热效率因比表面积减小而降低，整体平均温度反而下降。
6结束语
本文分析了对多孔介质内颗粒流动传热研究概述，在球形颗粒液固两相流及传热的基础上，研究了多孔介质内非球形非球形颗粒传热机理，给出了非球形颗粒流动传热模型。通过CFD软件采用DDPM方法开展了对稠密非球形颗粒在多孔介质内的传热仿真分析，结论如下。
（1）对于稠密非球形颗粒，在固定热通量、热源功率条件下，随着流体流速从0.1 mm/s增至0.5 mm/s时，颗粒平均温度逐渐呈现先上升后下降趋势。颗粒最高温度也随之增大，继续增加流速，颗粒平均温度上升，而最高温度呈下降趋势，并且在o=0.5 mm/s高流速时的颗粒最高温度最低。其主要原因在于低流速下流体流速的增大，致使颗粒的流动速度加快，增强了对流换热效率，颗粒平均温度升高，而随着流速持续增大，致使流体吸收热量更多，相对减少了颗粒吸收的热量，同时颗粒在多孔介质内滞留时间缩短，吸热量减少，流体颗粒的平均温度和最高温度降低。
（2）对于球形度为0.9的稠密非球形颗粒，随着颗粒粒径从2μm增至5μm，颗粒的平均速度下降约34%，颗粒的平均温度呈下降趋势，而颗粒最高温度从301.706 4 K升至302.510 1 K，呈上升趋势。主要是由于粒径增大导致颗粒惯性增强，同时由于粒径的增大，颗粒受到重力作用加强以及流体对颗粒曳力作用减弱，使得颗粒流速降低导致颗粒群流动性差，对流传热效率减弱，滞留时间增长，颗粒局部热量累计，致使颗粒平均温度降低，最高温度上升。
后续需要综合考虑流动传热和化学反应耦合时颗粒的流动行为，为真实条件下颗粒-流体的输运过程提供支撑。
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