近日，我校钱家忠教授团队在裂隙两相流非达西机理方面取得新的研究进展，相关研究成果以“Non-darcian behavior of two-phase flow in a vertical fracture with tortuous”为题在工程地质领域顶级期刊《Engineering Geology》上发表。合肥工业大学为论文的第一和通讯作者单位，河海大学为论文合作单位。论文第一作者为博士研究生王京平，通讯作者为钱家忠教授和马海春副教授。

裂隙介质中，流体的流动规律是地热资源开发、核废料地质处置以及油气资源开采等关键工程领域所关注的核心科学问题。传统的达西定律用于阐述低流速条件下的单相流体行为，但在实际工程应用中，垂直裂隙内往往出现气-水两相流动现象，且在高流速情况下，惯性效应变得尤为突出，从而使得流动表现出非达西特性。此外，裂隙表面的粗糙度以及流道的曲折性进一步增加了流动复杂性。然而，现有的模型在准确描述两相流中的非达西行为以及相对渗透率变化方面存在局限性，这限制了在工程实践中对流体运移进行精确预测的能力。

本研究团队构建了三维粗糙垂直裂隙的数值模型，并结合Navier-Stokes方程与Cahn-Hilliard相场方法，对气-水两相在浮力驱动下的非稳态流动过程进行了模拟。通过高斯随机分布生成了具有不同粗糙度的裂隙表面，并系统地分析了在雷诺数（Re = 998~44,134）范围内，流速、饱和度与渗透率之间的非线性关系。本研究创新性地提出了一种融合裂隙表面曲折度与非达西系数的理论模型，建立了水相相对渗透率与流速、饱和度及几何参数之间的定量关系，突破了传统达西模型和单一经验公式的局限性。研究结果表明，当雷诺数超过998时，流动显著偏离达西定律，Forchheimer方程可有效描述高流速下的非线性压降。此外，本研究发现传统曲折通道方法（TCA）因未考虑浮力驱动下的气-水分布差异存在偏差，新模型通过引入表面弯曲度参数，将预测精度提升了20%以上，为工程应用提供了更可靠的评估工具。该成果为裂隙介质中的多相流预测提供了新的研究范式，可直接应用于增强型地热系统的裂隙网络优化、核废料库防渗设计及页岩气开采中的水力裂隙评估。例如，在核废料处置库中，非达西效应会加速放射性核素的迁移，传统模型可能低估风险，而新模型可精准量化流速与渗透率关系，为安全屏障设计提供了关键参数。

近年来，合肥工业大学裂隙水非线性渗流团队在地下水资源化评价利用研究领域取得了一系列研究成果。在钱家忠教授和马海春副教授的带领下，近五年围绕该方向发表中科院2区以上论文30篇以上。

聚焦岩体裂隙变形非线性渗流研究在《Engineering Geology》、《Water Resources Research》、《Rock mechanics and Rock Engineering》、《Physics of Fluids》等TOP期刊上的代表性成果主要包括：

（1）在裂隙非线性渗流宏观定量预测方面：提出了围压耦合裂隙渗流型定量分析模型，该模型结合渗流参数水力孔径和裂隙变形古德曼模型，建立了外部压力、渗流压力和流量之间的物理关系，该理论能定量分析地应力变化造成裂隙渗流能力的改变，该成果2021年 6月发表在《Engineering Geology》，2019级硕士生王京平为论文第一作者；提出了通过水力孔隙度表征裂隙渗流从达西流到非达西流转变的精准预测方法。该成果2021年 8月发表在《Water Resources Research》，2019级硕士生邢坤为论文第一作者。

（2）在裂隙细观变形机理方面：提出了基于不同几何接触条件，考虑接触角度和边界效应下岩石裂隙细观接触模型，分析了岩石裂隙法向变形过程中接触面积、接触力和孔隙变化的细观力学行为。这两项成果分别于2023年5月和2024年8月发表在《Rock mechanics and Rock Engineering》上，马海春副教授为论文第一作者。

（3）在裂隙非线性渗流细观机理方面：提出了基于不同几何接触面积和形状，考虑几何粗糙表面和孔径变化效应下裂隙非线性渗流细观主控因素，在细观尺度提出了粗糙度和几何接触定量刻画裂隙非线性宏观现象的本质原因。这4项成果分别于2023年4月，2023年8月,2024年8月和2024年12月发表在《Physics of Fluids》上，马海春副教授为论文第一通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2025.108072

https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2021.106224

https://doi. org/10.1029/2021WR030451

https://doi.org/10.1007/s00603-023-03372-6

https://doi.org/10.1007/s00603-024-04105-z

https://doi.org/10.1063/5.0131145

https://doi.org/10.1063/5.0161932

https://doi.org/10.1063/5.0189863

https://doi.org/10.1063/5.0245844

（a-b）两相流和单相流中位置水头的对比（c）水相饱和度变化下的位置水头梯度动态特性

（a）TCA方法提出的通道曲折度计算和通道面积的示意图（b）裂隙表面的曲折度、水相界面的表面积及其投影面积