三维粗糙裂隙渗流换热机理的研究，对提升地下热储层的热提取率意义重大。当前，热开采过程中的多场耦合问题已取得了丰富的成果，但热开采过程中流体的相变作用对裂隙渗流特性及传热变化的影响却鲜有涉及。为剖析流体相变作用下的非线性渗流换热机理，以三维粗糙裂隙为研究对象，基于Fluent软件建立单相与多相流-热耦合模型，对比是否考虑相变作用的不同入口流速、入口温度和壁面温度时的局部换热系数分布特征。结果表明未考虑相变作用时，壁面局部粗糙程度控制局部换热系数的分布特征；基于Forchheimer公式，得知流体传热过程中非线性渗流特性显著。考虑相变作用后，流体呈现类似剪切稀释流体的特征，而气相体积分数则对系统换热过程起主导作用。因此，考虑流体的相变效应可以更准确地揭示热开采过程中的渗流特征和热提取效率的演化机理。