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1. 研究团队与发表信息
本研究由Linyu Xiang（第一作者，中国地质大学工程学院/中南大学地球科学与信息物理学院）、Changdong Li（通讯作者，中国地质大学工程学院/巴东地质灾害国家野外科学观测研究站）和Jie Meng（中国地质大学工程学院）合作完成，发表于《Journal of Hydrology》2025年第658卷，文章标题为《Effect of matrix permeability on non-Darcian flow behavior and flow partitioning patterns in fractured porous media: Insight from experimental and numerical tests》。

2. 学术背景与研究目标
研究领域为裂隙多孔介质（fractured porous media）中的流体渗流行为，重点关注基质渗透率（matrix permeability）对非达西流（non-Darcian flow）和流量分配模式（flow partitioning patterns）的影响。

科学问题：传统研究通常忽略基质渗透率的作用，但实际工程中（如砂岩、喀斯特石灰岩等），基质渗透性可能显著影响流体流动的异质性和非线性特征。现有模型多基于孤立裂隙的几何特性（如粗糙度、开度分布），缺乏对基质-裂隙相互作用的定量描述。

研究目标：
- 通过实验和数值模拟，量化基质渗透率对裂隙中非达西流行为的抑制机制；
- 揭示不同相对渗透率（relative permeability）下流量分配的分阶段规律；
- 建立包含基质渗透率和裂隙开度的临界雷诺数（critical Reynolds number）双参数模型。

3. 研究方法与流程
研究分为实验室实验和数值模拟两部分，共12种工况（4种基质渗透率×3种裂隙开度）。

3.1 实验室实验
- 基质样品制备：
- 材料：石英砂（粒径0.5–2 mm）、硅酸盐水泥（P·O 42.5）、减水剂。
- 方法：通过调整骨料-水泥比和颗粒级配，制备4种渗透率的多孔混凝土块（A-1至A-4，渗透率范围7.369×10⁻¹²至5.287×10⁻¹¹ m²），并通过CT扫描表征孔隙结构（平均孔径145.84–209.82 μm）。
- 裂隙多孔介质组装：
- 使用L形侧板与T形金属垫片控制裂隙开度（1.0、1.5、2.0 mm），密封边界后形成流动通道。
- 渗流实验系统：
- 自主设计的系统包含并联恒流泵、高精度电子天平、微压计等，流量范围0–2000 mL/min，压力梯度通过Forchheimer方程拟合。
- 实验步骤：预饱和样品→分级施加流量→实时记录压力与分流数据。

3.2 数值模拟
- 控制方程：Navier-Stokes方程描述稳态流动，Forchheimer方程拟合非线性流动。
- 模型设置：
- 几何参数与实验一致，边界条件为恒定压力入口（0–300 Pa）和无滑移壁面。
- 网格敏感性分析确定最优网格数（3.74×10⁶至4.77×10⁶），采用自由四面体网格离散。
- 模拟参数：水温20℃，密度998.2 kg/m³，动力粘度1.003×10⁻³ Pa·s。

3.3 数据分析
- 通过Boltzmann函数拟合流量分配比例γf与雷诺数Re的关系；
- 利用双参数方程（基质渗透率km+水力裂隙开度eh）预测临界雷诺数Rec。

4. 主要研究结果
4.1 流量分配的两阶段模式
- 突变阶段（Re ≤ Ret）：γf随Re急剧变化，取决于相对渗透率kr。当kr ≤ 1421时，基质流动占比快速增加（如Case 10中γf下降52.55%）；当kr > 1421时，裂隙流动占主导。
- 稳定阶段（Re > Ret）：γf趋于稳定，由基质渗透率和裂隙开度决定。即使kr低至10⁻³，基质贡献仍可能超过裂隙（Case 10中γf稳定于0.5以下）。

4.2 基质渗透率对非达西流的抑制
- 渗透率参数：粘性渗透率kv和惯性渗透率ki均与km和裂隙开度em正相关。例如，em=1.5 mm时，km从7.369×10⁻¹²增至5.287×10⁻¹¹ m²，ki增加约3倍。
- 临界雷诺数：Rec随km和eh呈指数增长（公式：Rec = 59.37 + 0.55exp(2.89×10¹⁰km + 4.07×10³eh)），表明高渗透基质通过降低界面阻力抑制非达西流。

4.3 孔隙结构与界面机制
- CT扫描显示，高渗透基质（如A-4）孔隙连通性更好（最大孔径2500 μm），促进流体交换；
- 速度场分析表明，基质渗透率升高使裂隙-基质界面流速提升5倍，削弱了惯性效应。

5. 研究结论与价值
- 理论贡献：首次量化了基质渗透率对流量分配和非达西流演化的影响，提出双参数临界雷诺数模型，弥补了传统单裂隙模型的不足。
- 应用价值：为地热开发、油气增产、地下污染物修复等工程中裂隙-基质系统的渗流模拟提供理论基础，尤其适用于高渗透基质场景（如砂岩含水层）。

6. 研究亮点
- 创新方法：结合CT孔隙表征与自主设计渗流实验系统，实现了多尺度流动可视化；
- 重要发现：揭示了kr ≤ 1421时基质流动的“反常识”主导现象，修正了前人kr需>1的认知；
- 模型突破：建立的Rec方程首次纳入基质渗透率，适用性优于仅依赖裂隙开度的传统模型。

7. 其他有价值内容
- 实验与模拟差异：实验压力梯度高于模拟结果（偏差约15%），归因于基质表面润湿性（hydration layer）和微尺度效应未被数值模型考虑；
- 未来方向：建议扩展至交叉裂隙网络研究，并整合裂隙几何形态的异质性影响。

（总字数：约1800字）