在大型水利水电工程、增强型地热开采系统工程、大规模油气高效开采工程以及核废料地质深埋处置工程中,普遍涉及岩石裂隙的复杂渗流问题。裂隙是控制岩石渗流特性的关键性地质构造,目前针对单一裂隙的复杂渗流规律研究仍不够充分,需要考虑形貌变化、流速条件等因素的影响。此外,在实际工程中,岩石复杂渗流现象往往还涉及裂隙热传输以及多相流问题。目前基于裂隙尺度的复杂渗流模拟研究还比较缺乏,不能满足我国工程的实际需求。本文以具有分形形貌特征的单一裂隙为研究对象,采用格子玻尔兹曼方法对其渗流规律、热传输机理以及两相流运动进行了模拟,结合理论建模和机理分析等方法,开展了不同错动状态条件下的裂隙渗流特性演化规律研究、不同雷诺数条件下的裂隙非线性渗流特性研究和不同压力梯度条件下的裂隙热传输机理模拟研究,对裂隙的两相流驱替过程模拟进行了探索。具体内容如下:(1)采用格子玻尔兹曼模型开发了裂隙复杂渗流模拟程序。具体地,采用多松弛模型,开发了裂隙单相渗流模拟程序,对复杂裂隙形貌条件下的Navier-Stokes方程进行求解。采用水、热双分布函数的格子玻尔兹曼模型,开发了裂隙渗流传热模拟程序。基于伪势模型开发了裂隙两相流模拟程序。相关研究表明,格子玻尔兹曼方法能够有效地模拟裂隙的复杂渗流行为。(2)考虑裂隙沿不同方向进行错动,建立了具有分形形貌特征的裂隙模型。采用基于单松弛模型的裂隙渗流模拟程序,开展了裂隙渗流特性演化规律研究。考虑粗糙度、错动方向以及接触率等因素对裂隙渗流特性的影响,研究了裂隙渗流的形貌影响机制。结果表明,裂隙的水力传导能力随裂隙面粗糙程度和接触率的增大而减小,其中粗糙度起控制作用。当错动方向由平行于流动方向逐渐向垂直于流动方向上变化时,裂隙的水力传导能力逐渐增大。错动方向对裂隙水力传导性的影响随裂隙面粗糙程度的增大而减小。考虑裂隙渗流优势路径的折曲性特征,构建了改进的水力传导率计算模型。(3)针对较大流速条件下,裂隙渗流偏离线性规律的情况,采用基于多松弛模型的裂隙渗流模拟程序,开展了不同雷诺数条件下的裂隙非线性渗流模拟研究。结合流线分布特征分析了裂隙非线性渗流的形成机理和影响因素。基于Forchheimer方程推导了裂隙渗流非线性程度的定量表征方法,分析了裂隙在不同流动方向上的非线性渗流特性。结果表明,裂隙面粗糙程度越高,其渗流非线性程度和各向异性特征越显著。建立了裂隙渗流非线性程度系数与有效水力开度的关系,推导了裂隙非线性渗流计算模型。(4)基于Navier-Stokes方程和热对流、扩散方程,开展了不同压力梯度条件下,具有复杂形貌裂隙的热传输机理模拟研究。分析了裂隙中导热流体的温度分布随时间的变化规律。基于粗糙裂隙的开度分布、流速分布和温度分布,阐述了裂隙热传输的优势流传热特征。推导了裂隙对流传热效率的计算方法,研究了裂隙对流传热效率的变化规律和分布特征。研究表明,裂隙的整体对流传热效率随佩克莱数的增大呈现出非线性的增长规律,裂隙的局部对流传热效率沿流动方向表现出非均匀的分布特征。裂隙对流传热效率受整体起伏度影响较大,受局部分形粗糙度影响不明显。(5)相关研究表明,基于伪势模型的格子玻尔兹曼方法能够较好地模拟两相流动过程。采用裂隙两相流模拟程序开展了裂隙两相驱替过程模拟研究。深入分析了粗糙形貌条件下残余相流体的存在形式和形成机理。系统研究了毛细管数、壁面润湿性特征以及几何形貌等因素对裂隙残余饱和度的影响。结果表明,残余饱和度随毛细管数的增大,呈现出非线性的增长规律。在相同毛细管数条件下,残余饱和度随着粗糙度变化幅值、变化频率的增大而增大。在较低毛细管数条件下,壁面润湿性对两相驱替效率影响显著,当毛细管数增大到一定程度时,壁面润湿性的影响不再明显。