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基于EMMS范式的粗粒化DEM-CFD模拟
作者单位：
中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室,北京 100190;中国科学院大学,北京 100039
中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室,北京 100190
母体文献：
中国颗粒学会《流态化专业委员会》第七届全国流态化会议论文集
会议名称：
中国颗粒学会《流态化专业委员会》第七届全国流态化会议
会议时间：
会议地点：
主办单位：
中国颗粒学会
在线出版日期：
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万方数据知识服务平台--国家科技支撑计划资助项目（编号：2006BAH03B01）(C)北京万方数据股份有限公司
万方数据电子出版社相关背景：稠密气固两相流自然界及工业过程中涉及的流动现象大多数都不是单一介质构成，即在流体中往往包含了其他相。如气溶胶、沙尘暴、人工降雨、流化床、煤粉输送、油滴雾化、油气混合等过程。按照物态划分可以将多相流划分为气固、气液、液固两相流甚至气液固三相流，本文主要讨论气固两相流。气固两相流又进一步可以分为稀疏气固流（固相体积分数小于0.000001）、稠密气固流（固相体积分数大于0.001）以及中等密度气固流。气固两相流中的耦合方式较为特殊的，在CFD中存在着针对气固两相流特有的一些概念：单向耦合，双向耦合以及四向耦合。从图示中可以看出，不同固向体积分数，需要采用不同的耦合策略。单向耦合：流体仅仅对颗粒起作用；双向耦合：流体颗粒互相作用；四向耦合：流体颗粒互相作用，颗粒和颗粒间进一步互相作用；对于稠密气固流，颗粒接触频繁，其外在特征表现为颗粒碰撞和接触主导的流动，需要使用四向耦合。求解方法目前国际上最常用的是双流体模型（TFM）和不可解离散颗粒模型中的CFD-DEM方法。什么是DEM？CFD-DEM：Computational Fluid Dynamics-Discrete Element Method，即计算流体力学-离散单元法。在CFD-DEM中，气相的运动在欧拉框架下求解，而固相运动的求解则采用拉格朗日框架下对单个颗粒进行追踪。气固两相求解通过空隙率（网格内气体体积占比）和曳力（动量源项）进行耦合，颗粒之间的碰撞过程采用硬球模型（Hard-sphere model）或者软球模型（Soft-sphere model）模化。相关软件ANSYS Fluent中的DPM方法主要求解稀相流动，DDPM方法可以求解密相流动，DDPM方法相当于兼具了双流体（TFM）和CFD-DEM的优势，但是他们都是对颗粒碰撞进行模化，并没有模拟真实的颗粒碰撞过程。CFDEM以及MFIX-DEM同样也可以用来模拟气固两相流。其中，CFDEM采用C++语言编写，对使用者相对要求较高；如果是新手，可以尝试使用MFIX，其使用Fortran语言编写。OpenFOAM自带的DPMFoam也可以实现CFD-DEM，但是缺点就是空隙率的求解模型、曳力模型等比较单一。SediFoam基于OpenFOAM和，也是一款比较好的软件，其中添加了一种coarse-grain的方法，可以求解颗粒粒径和网格尺寸相近的密相气固流动。典型应用在上图的方截面整床循环流化床模拟中，可以统计得到丰富的颗粒信息以及压降分布。在上图的双体喷动床中，可以得到放大效应及详细气固流动细节，本算例中颗粒数为250万。上图为粘性颗粒的料斗，难点在于颗粒间作用力，及颗粒与气体间作用力求解。有待完善之处CFD-DEM模型还有很多有待发展的地方。主要为减小计算量；宽粒径分布时的颗粒碰撞等模型的优化；气相湍流作用以及复杂几何下的大规模并行计算。这些都是CFD-DEM有待解决支出，虽然此方法已经发展了二十余年，但是仍然有很多有待完善之处，并依然是多相流领域的研究热点。原文引自：CFD界约稿并由浙江大学王帅整理CFD界(cfdresearch)
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CFD-DEM耦合方法
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&&颗粒软件EDEM如何与CFD耦合
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基于离散元技术的EDEM软件详解
基于离散元技术的EDEM软件详解
11:24:07&&作者：海基科技&&来源：
本文主要介绍基于离散元方法的仿真软件——EDEM，及其在模拟高炉布料等高炉工艺过程中具备的技术优势。
　　一、离散元方法简介
　　传统的力学研究都是建立在连续性介质假设的基础上的，即认为研究对象是由相互连接没有间隙的大量微团构成。然而，这种假设在有些领域并不适用，如岩土力学。1971年，CUNDALL提出的一种处理非连续介质问题的数值模拟方法，离散元方法(DiscreteElementMethod，简称DEM)，理论基础是结合不同本构关系(应力—应变关系)的牛顿第二定律。随后，这种方法被越来越广泛地应用于干涉及颗粒系统的各个领域。通过求解系统中每个颗粒的受力(碰撞力及场力)，不断地更新位置和速度信息，从而描述整个颗粒系统。
　　二、EDEM软件详解
　　EDEM是世界上第一款基于离散元技术的通用CAE软件，通过模拟散状物料加工处理过程中颗粒体系的行为特征，协助设计人员对各类散料处理设备进行设计、测试和优化。
EDEM主要由三部分组成：Creator、Simulator和Analyst，如图1所示。Creator是前处理工具，完成几何结构导入和颗粒模型建立等;Simulator是求解器，用于模拟颗粒体系的运动过程;Analyst是后处理模块，提供了丰富的工具对计算结果进行分析。
　　图1EDEM结构框架及功能
　　1.颗粒几何建模
在现实世界中，颗粒状物质形状各异、千差万别，而形状对颗粒体系的运动情况又有着重要的影响。EDEM的前处理工具可以精确描述颗粒的几何外形，Creator通过球面填充技术，将颗粒的表面用若干球面的组合表征，不仅能体现颗粒的非球形特征，又可以使颗粒的接触满足球面接触的物理模型，如图2、图3所示。
图2颗粒建模界面
　　2.颗粒工厂技术
EDEM特有的颗粒工厂技术(ParticleFactory)，可以根据用户需要，设置颗粒的初始位置、生成速率、颗粒种类和粒径分布等，如图4、图5所示。
　3.丰富的接触模型
　　接触模型是离散单元法的重要基础，其实质就是模拟静态下颗粒固体的接触力学弹塑性分析结果。接触模型的分析计算直接决定了粒子所受的力和力矩的大小。需要指出，尽管接触关系是非线性的，仍近似采用叠加原理。离散元法的接触模型有多种，接触力的计算方法也各不相同，但是整体计算的原理都是相同的。
　　EDEM中内置的接触模型列举如下：
　　Hertz-Mindlin(noslip)——基本接触模型，计算颗粒接触时的基本作用力;
　　Hertz-MindlinwithBonding——在Hertz-Mindlin(noslip)的基础上，考虑了颗粒内聚力的影响;
　　Hertz-MindlinwithHeatConduction——在Hertz-Mindlin(noslip)的基础上，计算颗粒接触后的热量传递情况;
　　LinearCohesion——描述颗粒结块、粘结的物理模型;
　　LinearSpring——基本接触模型，计算颗粒接触时的基本作用力;
　　MovingPlane——颗粒与运动平面间接触过程的物理模型。
　　4.API二次开发功能
　　EDEM提供的二次开发接口API(ApplicationProgrammingInterface)基于C++语言。用户可以根据所研究问题的特殊性自定义模型，模拟更加复杂的颗粒接触效应及场效应，如颗粒接触后的热量传递、颗粒受电场力作用时的运动特性。
　　5.多种几何文件接口
EDEM支持多种格式的几何文件。通过几何文件，用户可以将由其他CAD软件建立的机械设备几何模型导入EDEM，减少了重复建模和对模型的修整，提高了建模效率，如图6所示。目前，EDEM所支持的几何文件格式如表1所示。
　　6.高效的求解技术
　　利用DEM求解器Simulator进行模拟，可以快速、有效地监测离散颗粒间的碰撞;能够选用动态时间步长;软件既可以在单个处理器上运行，也支持多处理器并行计算;可以通过模型参数的可视化图表来分析模拟结果，从而快速地识别趋向和修正结果，如图7所示。
　　EDEM利用离散单元法进行计算，其基本思想是把介质看作由一系列离散的独立运动的单元(粒子)所组成，单元的尺寸是微观的，利用牛顿第二定律建立每个单元的运动方程，并用显示中心差分法求解，整个介质的变形和演化由各单元的运动和相互位置来描述。在解决连续介质力学问题时，除了边界条件以外，还有3个方程必须满足，即本构方程、平衡方程和变形协调方程。进行离散元数值计算时，往往通过循环计算的方式，跟踪计算材料颗粒的移动状况。其内部计算关系如图8所示。
　　每一次循环包括两个主要的计算步骤：①由作用力、反作用力原理和相邻颗粒间的接触本构关系确定颗粒间的接触作用力和相对位移;②由牛顿第二定律确定由离散单元法及其在EDEM上的实践相对位移在相邻颗粒间产生的新的不平衡力，直至要求的循环次数或颗粒移动趋于稳定或颗粒受力趋于平衡。并且计算过程按照时步迭代遍历整个颗粒体，计算时间的长度可以根据需要自行设定。
　　对于某些特定的问题，DEM模拟可能会需要很大的计算量，单处理器计算往往难以满足仿真的要求。EDEM的并行计算模块是分析该类问题的有力工具。
图9给出Processor数目对计算速度的影响，能够知道随着处理器数目的增加，计算速度近似线性增长。该测试是在2xQuad-core3.2GHzIntelXeon、8GB内存和WindowsXPProfessionalx64Edition(SP2)操作系统上进行的。
　　图9 Processor个数变化对计算速度影响
　　7.丰富的后处理工具
　　后处理模块(Analyst)提供了对仿真结果进行分析和判断的非常丰富的工具。可以用动画方式显示仿真过程，用图表显示仿真结果，创建动画文件并可输出结果数据到其他处理程序中，如图10~图13所示。
　　三、应用案例
卢森堡的PaulWurth公司通过EDEM软件分析了顶部无钟装料系统的原料运动规律。同时采用EDEM的二次开发接口API研究了物料对布料器表面的磨损情况，如图14所示。
　　巴西的USIMINAS公司采用EDEM软件模拟了由两条传送带和一系列传送槽组成的原料运输系统，发现运输过程中存在部分原料溢出损耗。通过优化模型的几何结构参数，得到新的原料运输系统，有效解决了运输过程中的物料溢出损耗问题。
　　巴西的VALE(淡水河谷公司)采用EDEM研究了鼓风炉供料时的物料流动及其分离过程。通过获取炉内不同区域的空隙率分布，分析了物料分离过程对空隙率与更重要的气流情况的影响。同时，EDEM软件还用于预测固体内部压力，以考察鼓风炉供料操作对不同区域物料颗粒破碎的作用。
用户采用一系列的简单实验测试了物料的力学参数。包括：恢复系数、剪切模量等。恢复系数的测试基于自由下落实验，如图15~图17、表2所示。
该算例使用了约50万的颗粒，模拟时间在160h左右。该仿真研究表明，EDEM能够通过一个庞大复杂的模型再现高炉内的真实情况，可以定量获得颗粒尺度分布情况、内部压力分布和空隙率等信息，如图18、图19所示。
　　四、相关应用案例
除分析高炉布料过程以外，EDEM还可以模拟高炉内料层的运动情况及颗粒与煤气的相互作用。
下例为M2i研究院DEM-CFD耦合方法研究鼓风炉内聚区。
鼓风炉内聚区是铁矿石软化及熔融的区域，由于铁矿石层渗透性的改变，故内聚区极大增加了上升气流的阻力，并使得气流主要从焦炭层中间通过。内聚区类似于一个气体分布器，并对鼓风炉的操作工况及稳定运行有至关重要的影响。内聚区铁矿石的软化及熔融过程一般分为三个阶段：软化段、渗透段及熔融下流段，三个阶段的具体情况取决于矿石性质和全炉操作条件，如图20所示。考虑到鼓风炉内复杂的操作条件及发生的众多化学反应，采用数学模型与物理模型相结合的方法，是用来研究微观的矿石性质与宏观的炉内流动条件对内聚区结构影响的有力工具。
模拟结果：改变矿石性质及操作条件使得颗粒层分布发生明显变化，矿石熔融段位置显著升高;炉内矿石层的空隙率远远低于焦炭层，气流主要从焦炭层通过，高温区明显增大;内聚区明显增大了气流阻力，焦炭出现槽式的流动结构。
　　图21所示为铁矿石性质变化及不同操作条件对内聚区物料分离、熔融过程及炉内温度分布的影响。
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基于dem-cfd耦合的新型cae软件系统设计
design of a new cae software based on coupling dem and cfd
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基于dem-cfd耦合的新型cae软件系统设计
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