石油化工行业中油气运移、聚集、开采、集输、加工、储存运输等都涉及到复杂的油气流动与传热问题。地层中的油气运移过程、油气的加工及储存运输过程等很多环节都涉及到多相流动与传热问题,对其机理的探究在石油钻井、油气开发等领域越来越重要。油层岩石是典型的多孔介质,其内部结构复杂,导致多孔介质内多相流体的流动和传热过程非常复杂,到目前为止人们还不能完全掌握多孔介质内的传热及流动规律。格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)作为一种介尺度的数值模拟方法,经过几十年的研究与发展,其基本理论、基本模型均得以发展和完善。利用LBM在处理复杂边界问题时的独特优势,研究多孔介质内的流动和传热问题,能够达到准确、有效、适用性强的效果,为准确模拟油藏岩石中多相流动与传热过程,揭示油层中流场与温度场的分布规律提供技术参考与理论依据。根据LBM的单松弛时间(SRT)法构建多孔介质内的流体流动模型。采用有限体积颗粒(FSP)法构造多孔介质骨架及可移动的悬浮颗粒,流体与固体骨架采用反弹格式,使用动量交换法处理流体和悬浮颗粒的相互作用。根据多组分DDF方法构建了多孔介质内流动与传热的双分布函数格子Boltzmann模型。使用周期性边界格式、反弹格式、非平衡态外推格式等方法处理压力、速度、无滑移等流动边界以及等温、绝热等热边界条件。以有限体积颗粒法构造的球形颗粒作为多孔介质骨架,采用LBM对油水混合物在多孔介质内的渗流行为进行研究。通过模拟Poiseuille流动及分析多孔介质内流体在线性区、过渡区和强惯性区的渗流规律验证模型,将模拟结果与实验结果、渗流基本公式及采用多松弛时间(MRT)方法的模拟结果进行对比,结果表明所建模型的精度和稳定性能够进行油层内多孔介质渗流的模拟。对不同进出口压差下的渗流进行模拟计算,分析线性区、过渡区和强惯性区内流动行为随Re的变化,在不同流型区域对雷诺应力和粘性应力的影响进行了比较,结果表明:在线性区粘性应力远大于雷诺应力,在过渡区二者相当,在强惯性区雷诺应力大于粘性应力;雷诺应力随Re的增加而增加,孔隙介质结构对雷诺应力的影响随着Re的增大而减小。模拟原油含水率对多孔介质渗流的影响,结果表明:在相同的进出口压差下随着含水率的增加,渗流速度降低;随着进出口压差的增大,渗流速度随含水率降低的幅度减小(原油含水率由0.0增加到0.5,△P=100 Pa时,速度降低了53.4%,△P=5000 Pa时,速度降低了46.9%,△P=30000 Pa时,速度降低了30.8%),说明在线性区、过渡区和强惯性区内原油含水率对渗流行为的影响不同。构建多孔介质内流体流动与传热的FSP-DDF耦合模型,通过二维方腔(Ra≤10~6,误差在1%以内,Ra≥10~7,误差在4%以内)和三维立方体自然对流验证模型的流动边界和热边界条件,模拟了恒温固定热颗粒周围流体的热扩散过程。采用FSP-DDF耦合模型模拟了多孔介质孔隙尺度的流体流动和传热过程,得到了复杂多孔介质内详细的温度分布和速度分布情况,并且研究了渗流速度对流动与传热过程的影响,结果表明:由多孔介质结构引起的速度波动随着Re的增加而增大,流体温度的轴向分布在强惯性区,会随着渗流速度的增加出现明显的波动。分析了原油含水率对多孔介质内流体温度分布的影响,在线性区和过渡区,流体温度随含水率的变化较为均匀,在强惯性区,含水率越高,对流体温度分布的影响越大。获得了油层孔隙内沉积颗粒数量对渗流与传热的影响规律,流体在相同的质量力作用下,在以对流传热为主导的热量传递过程中,导热对传热效果的影响要弱于对流传热的影响,且随着孔隙内颗粒数量的增加,总体的传热效果降低。建立流体和动颗粒的相互作用模型,研究固体颗粒在孔隙内的沉降与传热规律。首先,通过单个球形颗粒在无限边界均匀流场中的受力情况分析,计算不同Re下曳力系数,并与实验结果进行对比,良好吻合。其次,研究单颗粒随流体通过平直孔隙的过程,结果表明颗粒沉降距离随颗粒直径(50～200μm)的增加而减小,随流体速度增加而变大,随着固体-流体密度比(1.2～3.0)的增加而减小。对初始时刻双颗粒相对位置不同的四种情况进行模拟计算,结果表明:颗粒的位置不同,对于颗粒的沉降有较大影响,颗粒沉降受入口及出口效应影响,同时与流体的速度及颗粒的垂直位置有关。研究颗粒在弯曲孔隙内的沉降问题,结果表明颗粒在弯曲孔隙内的运动受入口和出口效应以及壁面起伏的影响。对初始时刻双颗粒不同相对位置进行传热过程分析,表明颗粒温度的变化主要取决于颗粒的垂直位置,以及在不同垂直位置所停留的时间。最后,对多颗粒在弯曲孔隙内随流体的运动与传热过程进行了模拟,结果表明:颗粒的存在对温度场会产生一定的扰动,有颗粒存在的地方,温度变化不再均匀,同时一定程度上强化了传热;随着时间的变化,温度分布由初始状态,经过不稳定过程,最终达到稳态的整个过程,颗粒对温度分布的影响在逐渐减小。