悬浮微小颗粒在多孔介质内的运移与沉积现象无论是在自然界还是工业应用领域普遍存在,尤其是近年来随着人们对自身生存环境的关注,对该领域的研究也越来越重视,比如对液体内悬浮固体颗粒运动特性的研究,在地热回灌、水土保持、地下污染物净化、石油开采、过滤系统、水工结构内部侵蚀破坏、核废料处置等许多领域都有着重要的应用价值与意义。本文主要以地热废水回灌当中可能存在的物理堵塞问题为研究背景,开展了悬浮微小固体颗粒在含水多孔介质通道内的沉积与运移特性研究,旨在获取悬浮微小颗粒在多孔介质层内的运移特征及沉积规律：一方而研究不同颗粒粒径、多孔介质粒径、浓度对多孔介质界面处及其内部沉积的影响规律：另一方面研究伴随颗粒的沉积多孔介质水文输运参数的变化规律。鉴于进行现场试验会受到许多特定地层特定因素的限制,研究结果不具有普适性,文中采用圆管中填充玻璃珠的方法模拟地下含水层空间,搭建了悬浮微颗粒在含水多孔介质通道内沉积特性的室内测试试验台。首先,本文对采用有限直径圆管模拟地下无限大空间存在的壁面效应,即对多孔介质内部孔隙度由于壁面引起的不均匀问题进行了研究,总结了壁面效应随管道直径与填充颗粒直径比的变化关系。理论上研究了通道截面孔隙度分布有阶跃变化的极端情况,即对同时含有多孔介质层与孔隙度为1的流体层结构情况下的稳定泊松流进行了求解,通过线性稳定性理论对该复杂结构下的流动稳定性问题进行了研究。在此基础上,构造颗粒填充多孔介质试验段,搭建了含悬浮颗粒水在多孔介质圆管内的渗流特性试验台,主要研究了粒径、浓度等物理因素对颗粒运移沉积特性的影响,并采用数值模拟手段进一步研究了悬浮颗粒在多孔介质孔隙内的运移特性及沉积规律。具体研究内容如下：首先,对所制备的多孔介质试验段能够代表大空间多孔介质特征的条件进行了研究,即研究了管内填充颗粒后,可能出现的管壁附近各向异性带来的壁面效应,因此,针对不同圆管直径与填充多孔介质粒径之比(Dt/Dp)与多孔介质填充通道平均孔隙度(ε)的关系,对前人通过试验研究总结的关联式进行了比较。得出：在直径比Dt/Dp<10时,壁面效应较为明显,而10<Dt/Dp<40时,壁面效应的影响比较微弱,Dt/Dp>40时,可忽略壁面效应。此外,考虑到地下含水层内流体处于稳定渗流状态,从理论上对非均匀孔隙度分布的多孔介质通道内流体流动稳定性进行了研究,进一步考虑通道截面孔隙度分布有阶跃变化的极端情况,如上下为自由流体通道层(ε=1)、中间为单层多孔介质层的耦合通道内流体的流动状态进行了研究。基于多孔介质内流体流动模型、自由通道流体N-S方程以及二者界面处动量传递方程导出忽略惯性效应影响的扰动方程,采用Chebyshev谱方法对Orr-Sommerfeld稳定性方程进行求解。考虑了雷诺数(Re)、渗透率(σ)、孔隙率(ε)、波数(α)、多孔介质填充率(ψ)变化时,特征值及速度扰动特点以及各参数变化时对临界雷诺数(Rec)的影响,进而从理论上验证在试验实施条件下,能够模拟地下含水层内流体的稳定流动状态。在此基础上,进一步对存在多层自由流体层一多孔介质层耦合的复杂通道泊松流流动稳定性进行了研究。为了与有单层多孔介质层结构下的稳定性结论进行对比,采用了两种方式增加多孔介质层或流体层,即恒定雷诺数Re方式和恒定多孔介质填充率ψ式,重点分析了恒定雷诺数Re方式下Orr-Sommerfeld特征值图谱中壁模式特征值的分布规律,研究结果对有多层裂隙结构下的地下水渗流稳定性问题有理论指导意义。研究结果表明：相较于不渗水的固体壁面,多孔介质壁面进一步增加了流动的不稳定性；流体通过中间插入多孔介质层结构通道时的稳定性要高于通道两侧为多孔介质壁面时的情况,同时也高于通道内有多层多孔介质层时的情况；两种方式下增加多孔介质层数np均会引起临界Rec数的降低,但下降程度不同：在相同多孔介质层数np下,以恒定ψ方式所形成的流体通道比以恒定Re数方式形成的流体通道内流体流动的稳定性要弱。在上述稳定性分析中忽略了多孔介质内部,以及多孔介质与自由流体界面处动量方程的惯性项,为了进一步研究惯性项对基础流解带来的影响,本文对该复杂结构下的基础流求解问题进行了研究。提出了多孔介质层内考虑Brinkman粘性耗散项与Forchheimer非线性惯性项的无量纲动量方程式,该方程式与边界条件与以往文献给出的方程式相比更具一般性；利用边界层理论,将多孔介质层分为不受界面影响的核心区和边界影响区,采用Runge-Kutta-Gill数值微分方法及估算一阶导数的打靶方法对含惯性项的基础流微分方程进行了数值求解,该方法可以去除以往文献求解的限制条件。通过对多孔介质试验段进行多次改进,搭建了室内模拟回灌试验台,研究了不同颗粒粒径、多孔介质粒径、浓度等物理因素对颗粒运移沉积特性的影响。一方面研究已沉积的微小颗粒随时间对堵塞程度或相对渗透率的影响；另一方面研究在试验过程中悬浮微小颗粒在多孔介质段的累积及瞬时沉积规律；最后对试验结束后多孔介质界面处及内部各段沉积规律进行了测试和分析。试验发现：悬浮颗粒在多孔介质段的沉积,并不一定使多孔介质各段相对渗透率Kt/KO降低,造成多孔介质段的堵塞；相反一定情况下会出现Kt/KO增大的情况,出现波峰,并且出现波峰的时间随距离进口越近而越早出现,如同波的传递现象；提出以波纹管和光管阻力系数的区别来近似解释现象产生的机理,得出较小进口浓度下,悬浮颗粒粒径越小,Kt/KO曲线波峰出现时间越迟,相对渗透率增加幅度越大,而较大进口浓度条件则抑制Kt/KO曲线波峰的生成,直至呈单调递减。采用格子玻尔兹曼方法(LBM),对二维突扩突缩方形孔隙内微小颗粒的运动沉积特性进行了数值模拟研究,假设颗粒碰壁完全吸收,不考虑颗粒的堆积效应,忽略颗粒对流体作用力。在颗粒运动方程中,由于颗粒粒径较小,不仅有浮升力、阻力和重力,也考虑了布朗力。首先,模拟强迫对流条件下,悬浮微小颗粒通过三种孔隙结构时,不同斯托克斯数(Stk)情况下,在涡量场中的运动轨迹分布以及各壁面的沉积情况。其次,考虑到回灌水的水温通常比原始含水层的温度要低,特别模拟了混合对流情况下,不同自然对流强度(Ra数)时颗粒通过单孔隙的运动沉积特性,研究了Stk数和瑞利数Ra在颗粒运动沉积方面的影响。得出：Re数一定时,随着Stk数的逐渐增大,颗粒在涡量场中的运动分布是一个从与涡线逐渐吻合到与涡线逐渐脱离的过程；在强自然对流时,会增加颗粒沉积率,这与许多地热利用的现场回灌试验相吻合,尤其当Ra较高,Stk较低时,自然对流对沉积率的影响更为明显；若惯性力和重力成为颗粒运功的主要影响因素,则当Stk数很高时,颗粒的沉积率会趋于一致。最后,根据研究中发现的一些问题和不足,提出了后续研究和改进的方向,以期能更系统地研究含水介质中悬浮颗粒的运移沉积规律。