多孔介质中溶质运移和热传导及其耦合效应的研究是环境岩土工程中的一个重要课题。传统的研究方法一般基于表征体元尺度,这一研究视角忽略了多孔介质最本质的孔隙结构特征,存在局限性。而基于孔隙尺度的观点,将孔隙的结构组成以及孔隙空间内发生的物理过程与介质的宏观特性联系起来,可更清晰地认识多孔介质溶质运移及热传导的物理本质。本研究基于光滑粒子流体动力学(SPH)发展了一种孔隙尺度的仿真实验方法,致力于揭示多孔介质的孔隙结构特征与其宏观溶质运移及传热特性的联系。多孔介质中的溶质运移和传热过程主要涉及到机械弥散、溶质扩散和热传导过程,控制因素分别为弥散度、迂曲度和有效导热系数。论文聚焦多孔介质内孔隙结构组成变化对上述三个参数的影响,重点研究弥散度、迂曲度和有效导热系数随孔隙结构特征参数的变化规律,并结合孔隙尺度仿真实验得到的相关规律,进一步建立便于工程应用的宏观数学模型。主要研究内容包括:(1)采用SPH方法求解描述孔隙水运动的纳维斯托克斯方程,以及描述溶质扩散和热传导过程的二阶抛物线型扩散方程,实现对孔隙尺度物理现象的模拟。并结合SPH特点,提出重构多孔介质数字模型的三维建模方法,提出考虑介质湿化和冻结状态的模拟方法。围绕弥散度、扩散迂曲度和有效导热系数,设计了恒流速粘性流体渗透仿真实验、土柱溶质非稳态扩散仿真实验和多相介质稳态热传导仿真实验。将计算结果与解析解进行对比,验证仿真实验的准确性。(2)弥散度、迂曲度和有效导热系数均与多孔介质的孔隙结构特征有密切联系。本文充分发挥数值实验优势,对实验条件和介质特征进行精准控制,通过大量的仿真实验结果,揭示弥散度、扩散迂曲度和有效导热系数与其他孔隙特征参数之间的规律。重点探究或检验了弥散度与速度差、迂曲路径差、孔隙率和迂曲度等的相关规律,迂曲度与颗粒形态、维度、孔隙率和比表面积等的相关规律,以及有效导热系数与孔隙率、饱和度和冻结率的相关规律。(3)结合仿真实验得到的参数规律,对相关算法和模型提出改进方法和创新思路。为描述含裂隙多孔介质的对流弥散作用,提出了两流区模型的简化解析式。为建立片层介质的迂曲度与片层倾角和颗粒尺寸的联系,提出了一种基于迂曲路径概率分布的几何迂曲度模型。此外,为描述非饱和多孔介质在湿化和冻结过程中导热系数的变化规律,通过在常温导热系数模型的基础上引入导热系数与冻结率的关系,建立了适用于冻结土的导热系数模型,并应用于冻土的水-热耦合问题。