流体在多孔介质中的渗透及传热过程在学术研究和实际工程领域中，例如地理物理学、化学工程、农业与环境保护、材料和医药科学，都是一个普遍存在的重要问题。因此，对流体在多孔介质中的渗透及传热过程进行精确建模，不管是在学术研究领域还是在实际应用领域都已经成为一个研究热点。本文基于守恒形式水平集法(Conservative Level Set Method，CLSM)，利用来源于试验中的实际多孔介质结构二维SEM图片，提出了一个模拟流体在多孔介质中渗透流动及传热过程的孔隙尺度两相流数值模型。与基于达西定律(Darcys law)、布莱克曼方程(Brinkman equations)及理查德方程(Richards equation)等传统方法相比，利用该模型能够更好地对流体在多孔介质渗透过程中的流动结构及传热行为进行细节描述。同时，与渗透试验中流动前沿演变的数据相比，该数值模型得到的计算结果最大相对误差不超过5％。特别是基于实际多孔介质几何特征，该模型能够精确捕捉流体在多孔介质中渗透过程中流动前沿随时间的演变特征。另外，基于本文提出的孔隙尺度两相渗透流动模型，对多孔介质的一些重要参数（如，有效渗透率、水力迂曲度及对流换热系数）的数值测定方法及其在渗透过程的演变情形进行了详细分析，同时也对三相传热过程进行了深入细致的研究。基于渗透试验及数值计算结果，本文的研究内容及结论主要包括:　　(1)基于实际多孔介质几何结构特征，利用本文提出的孔隙尺度两相渗透流动数学模型，能够精确得到流体在孔隙尺度渗透过程中的流动结构特征，如流动前沿位置、速度场、压力分布、潜在渗透缺陷及优势流动路径等。在对上述流动特征深入研究的基础上，能够得出的主要结论包括:(i)对多孔介质进口施加周期、剧烈改变的外部驱动压力，即振荡压力，更有利于流体在多孔介质中进行孔隙尺度的渗透流动;(ii)流体在多孔介质中的孔隙尺度渗透流动过程中，最大速度值并不总是出现孔喉流道里;(iii)渗透过程中的潜在流动缺陷，如气泡、空洞等，更可能出现在流体流动速度极低区域;(iv)优势流动路径对流体在多孔介质中渗透的均匀性和充分性具有巨大的不良影响。　　(2)宏观尺度上，有效渗透率是计算和预测流体在多孔介质中渗透或者输运过程的一个关键参数。可是，无论是试验法、理论分析法还是数值法，得到渗透率的测量方法或者模型都是针对流体在饱和多孔介质中的稳定流动而且基本上都是间接或者建立在预定义的虚拟多孔介质几何结构特征上。据我所知，基于实际多孔介质几何结构特征的渗透率随时间的演变行为涉及极少。因此，根据本文提出的孔隙尺度两相流模型和来源于试验中的实际多孔介质几何结构特征，基于数值计算结果利用达西定律计算了不饱和渗透率。同时，也对渗透率随时间、空间及饱和度的演变过程进行了深入研究。其研究结果表明:(i)和其他参数（最小、平均渗透流动前沿长度。）相比，沿着流动方向的最大渗透前沿长度更能表征流动前沿的空间演变行为;(ii)不饱和多孔介质的有效渗透率随时间和流动前沿推进呈现出指数衰减趋势，随饱和度呈现出幂律衰减趋势;(iii)流体在多孔介质孔隙尺度渗透流动的过程中，饱和度对渗透率演变行为具有非常大的影响。　　(3)迂曲度是一个能够提供多孔介质复杂结构更多细节信息的关键参数，而且对描述多孔介质宏观渗透行为的特征参数（渗透率）具有非常大的影响。它也是一个联系多孔介质宏观渗透性能和微观结构特征的桥梁。可是，无论是采用经验法、理论分析法还是数值法，得到迂曲度的测量方法或者模型都是针对饱和多孔介质。现在，在数值模拟的结果的基础上，不需要任何多孔介质结构参数，应用矢量计算法(Vector-based Tortuosity Method，VTM)计算它的迂曲度。通过三种不同性质流体的数值试验表明，该法计算的迂曲度最大重复性相对误差不到1.0％。与各种的经典模型计算得到的结果相比，其最大误差不到10％，二者具有非常高的一致性。同时达到了两个目的:(i)提供了一个对不饱和多孔介质迂曲度随时间演变全面直观的理解，迂曲度反映了多孔介质微观结构拓扑特征，事实上，它是等价于孔隙流道的互联性;(ii)同时也澄清了一个事实:水力迂曲度是多孔介质的固有属性，而它不依赖于流体的物性参数，饱和度对其具有非常大的影响。　　(4)基于两相流体在多孔介质渗透过程得到的速度场，对两相流动三相传热过程中的温度场（等温线）、热流线、流固两相和三相接触界面平均温度、温差及界面对流换热系数随时间演变情况作了详细分析并得到了几点结论:(i)目前尽管还没有更充分试验证明，可是在当前数值计算条件下，发现流动前沿的演变情况对三相温度场的演变情况影响不大，至少在表征单元体孔隙尺度上如此;(ii)同时也发现热流流动路径与流体流动路径截然不同，也可以初步预知随着热量传递的继续进行，热流线将在多孔介质中进一步规整化分布，热流通道也进一步明显出现;(iii)由于三相物质的初始温度不同，在传热过程中会发生温度变化方向的改变，进而引起热量传递方向改变，同时在当前数值计算条件下，尽管局部的流固界面法向热通量方向有内有外，可是整体上一直处于固体冷却，流体吸热状态。尤其是值得说明的是三相传热过程有待进一步深入探索，特别是上述结论需要试验进一步验证。　　综上述，这些所有的研究结果不仅发展新的流体在多孔介质中渗透流动及传热过程的数值模型是有益的，而且对深入探索流体渗透及传热过程中，多孔介质的迂曲度、渗透率和界面对流换热系数随时间的演变也是非常有益的。