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颗粒迁移和堵塞现象在多孔介质中无处不在，尤其是在涉及粘性细粉时，迫切需要从微观尺度的角度进行深入理解。因此，本研究旨在通过使用耦合计算流体动力学-离散元法 （CFD-DEM） 阐明多分散粘性细粉在颗粒介质中的迁移和堵塞行为。从宏观和微观力学的角度详细研究了主要控制因素，包括相对粗-细尺寸比和通过键数概念的粒子间内聚力的强度。结果表明，颗粒间内聚力的存在极大地改变了细颗粒的迁移，与渗透率的显着降低和颗粒沉积的可能性增加有关。本研究通过渗透比和临界时间比创新性地探讨了粗细粒径比和内聚强度对细粒运移行为的综合影响，其中堵塞对颗粒介质的地质水力性能具有重大影响。此外，在内聚细粉的背景下，作者提出了一种全面而新颖的算法来检测和分析内聚诱导的团聚效应。结果表明，由于细粉之间内聚键的亚稳态，可以捕获团聚物的形成和破裂，以解释通过堵塞区发生的不稳定流动。图 2.（a） 颗粒柱和细粒的示意图，显示了用于模拟的代表性元素体积 （REV） 的位置。（b） 在相关载荷条件下，颗粒柱内所选 REV 的放大视图。图 3.a） 土柱界面的耦合 CFD-DEM 建模和 b） 水力加载过程。图 4.根据 a） 流体压力和 b） 流体速度对不同 CFD 单元配置的流场进行分析。图 5.对于尺寸比为 8 的情况，CFD-DEM 模型与解析 （Ergun） 方法预测的表面速度和压力之间的关系。图 7.浸润比随尺寸比的增加而演变（从 5.5 到 10）。图 8.与实验研究相比，验证了具有不同粒径比的渗透细粉空间排列的数值模拟图 10.当内聚力 （Bo） 从零（无内聚力，Bo = 0）增加到高粘性土壤（Bo = 20）时，渗透比模式随时间的变化图 11.处于堵塞状态 （Bo = 10） 和迁移状态 （Bo = 0） 的静态颗粒百分比随时间和液压梯度而变化。图 12.（A-B）根据静态粒子的位置和分布观察堵塞区域 （Bo = 10）。图 13.a）Basack 等人 （2018） 中堵塞参数随时间变化的定性假设，以及 b） DEM 模型中堵塞和疏通区域的确定，以及 c-d） CFD-DEM 模拟中堵塞参数的时间依赖性变化（即疏通半径和堵塞渗透率）。图 14.渗透的无粘性颗粒在整个颗粒介质中的局部分布。图 16.表面区域 A 的沉积效率与内聚力水平的关系。图 17.在当前和实验研究中，沉积比作为粘性高岭土细粉的流动速度的函数图 18.平均收缩大小和累积颗粒体积与沉积率之间的关系..图 24.细粒-粗颗粒界面中接触力网络的演变，适用于两种不同情况：a） 无内聚和 b） 内聚细粒。图 26.在当前数值模拟中确定和表征稳定团聚体的算法。图 28.（a-b） 无粘性细粉和 （c-d） 粘性细粉 （Bo = 20） 中水力流量上升下代表性团聚体随时间的演变。5. 结论
本研究采用 CFD-DEM 组合方法，探讨了在上升水力流和颗粒间内聚力作用下，细颗粒在颗粒介质内迁移和堵塞的动力学。一方面，通过渗透率、渗透颗粒的空间分布和沉积系数等指标评估颗粒迁移和堵塞的宏观行为。另一方面，还研究了这些现象的微观机制，包括细粒和粗颗粒之间接触行为的详细演变，以及接触力网络。更重要的是，这项研究的一个新颖方面集中在对粒子间吸引力诱导的团聚的定量分析上，阐明了在不同内聚力水平下团聚体的形成和稳定性过程。这项研究的显著发现总结如下：
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对于无粘性细粉，当粒径比相对较低（即 < 8）时，尽管水力梯度增加，但颗粒的渗透量适度增加到 19% 左右，并提前稳定下来。然而，在较大粒径比（即 8 和 10）的情况下，细粒的渗透呈持续增加趋势，最终积累的细颗粒分别保留在颗粒介质中超过 50% 至 80%。
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研究发现，通过 Bo 数存在的粒子间内聚力对粒子迁移和堵塞现象有深远影响。例如，对于大小比 = 8，当 Bo 数从 0 增加到 20 时，渗透率从 57% 停止到 31%。此外，通过监测细颗粒随时间进入粗介质的持续运动，整个渗透过程可以分为三个不同的阶段：初始渗透、稳定增加和稳定。随着凝聚力的增加，浸润从不光滑和亚稳定转变为早期发生的立即稳定。
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更重要的是，数值结果在通过确定疏通半径和临界时间来估计堵塞过程的速率和程度方面做出了新的贡献，这在以前的文献中是缺失的。结果得出的关键时间约为达到严重堵塞所需总时间的 30%。在这种情况下，堵塞的半径几乎占据了塔外周的 20%，堵塞颗粒介质的渗透率下降到其原始值的 50% 左右，对排水有明显影响。此外，针对不同的尺寸比和内聚力水平计算了广泛的临界时间，这突出了在堵塞研究中同时考虑尺寸比和内聚力的重要性。
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微观力学分析的结果得出结论，颗粒间内聚的存在导致细-细接触显著增加（增加 20%），而粗-细 （C-F） 接触与无内聚接触相比减少了约 60%。这表明主导内聚力增强了细颗粒之间的连通性，同时限制了它们与粗基质的相互作用。
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粘性细粉的堵塞机制可归因于它们倾向于聚结成更大、更稳定的团聚体，内聚力增加。据观察，与团聚物数量波动很大的无内聚力情况相比，内聚细颗粒利用颗粒间键形成和稳定明显更多的团聚体 （> 9000）。在堵塞的情况下，这些团聚体表现为更大的有效粒径颗粒，这可能超过粗基质的临界收缩尺寸，并增加堵塞的可能性。此外，颗粒簇对流体流动表现出更大的阻力，从而促进颗粒在多孔介质中的保留和沉积，并进一步加剧堵塞问题。
