CFD专栏丨为什么需要CFD+DEM耦合方法分析颗粒两相流？

什么是颗粒两相流？

颗粒-流体两相流在许多行业中都会遇到，包括能源、农业、采矿、食品、制药等。

他的特点是：颗粒（离散相）被气体或液体（连续相）夹带和输运。颗粒和流体介质之间存在质量，动量和能量传递，而且颗粒之间，颗粒和固体壁面也发生碰撞。

模拟颗粒流的数值方法

颗粒相和流体相可以在不同的长度尺度上模拟，通常分为2类：宏观方法（连续介质）和微观方法（离散介质）

Fluid - Resolved Euler （Marco） Solid - lagrange（micro）

DNS - DEM

计算代价极其昂贵

Fluid - Unresolved Euler（Macro） Solid - lagrange（Micro）

CFD-DEM

相对精确，计算代价中等

Fluid - Euler（Macro） Solid - Euler（Macro）

TFM

精度不高

什么是DEM方法？

DEM离散单元法，就是指每个单元都是离散的，有独立特性的，也就我们常见的颗粒状物料。

离散元法的核心思想就是在拉格朗日坐标体系下，针对每个颗粒进行检索，计算由于接触产生的力，再运用牛顿第二定律进行计算颗粒的加速度/速度和位移的变化，进而得到整个系统的状态。

为什么我们需要CFD+DEM 的耦合方法？

CFD-DEM

• 可模拟颗粒-颗粒之间，颗粒-容器之间的碰撞
• 可模拟颗粒在流体介质中的堆积和分离现象
• 可模拟颗粒和流场的相互影响
• 可追踪单独或一群颗粒的在流场中的运动轨迹
• 可计算颗粒受到的流体力

CFD+DEM耦合方法的控制方程

流体相

Continuity equation:

Momentum equation:

Energy equation:

颗粒相

Newton’s second law of motion (translation):

Euler’s second law of motion (rotation):

Energy equation (particle):

Altair® AcuSolve® 和EDEM耦合的特点

1. 颗粒的尺寸可以远远大于CFD的网格尺寸。
2. 支持球形/非球形的颗粒，例如不规则形状的石头在水中的沉降过程。
3. 可模拟能量耦合，例如热的颗粒被空气冷却
4. CFD动网格模拟刚体运动，例如颗粒通过振动的筛子或旋转的风扇叶片。
5. 可模拟传质现象，例如在颗粒表面镀液膜(coating)，或湿颗粒的干燥。
6. CFD和DEM的模型均支持GPU加速计算，对大模型有显著加速效果。

AcuSolve和EDEM耦合的三种方法

通常可以认为稀疏相的粒子不影响流场，用单向耦合就足够了，计算代价小。

如颗粒是密相，颗粒总体积/流体体积远大于千分之一，则考虑双向耦合。当然这也不是绝对的，主要是看颗粒的存在有没有显著的影响流场。

第一种方法：单向稳态耦合

• 颗粒的存在几乎不影响流场。AcuSolve先完成流场计算后，将稳态结果导出给EDEM即可。
• EDEM接着计算颗粒在稳定流场下的运动轨迹。

CFD稳态流场

颗粒运动的动画

第二种方法：单向瞬态

• 颗粒的存在几乎不影响流场。但是 CFD的模型参数可以随时间变化，例如流量，压力，物性参数等等。
• AcuSolve和EDEM需同时求解，AcuSolve只负责数据发送，EDEM只负责数据接收。

入口空气流量随之变化

CFD流场动画

颗粒运动的动画

第三种方法：双向瞬态耦合

• 颗粒的存在显著影响流场。AcuSolve和EDEM需同时求解，在CFD每个迭代步结束的时刻交换流体的速度、压力、温度以及颗粒的位置信息。
• EDEM的模型时间步长通常在1e-5秒的量级。因此在acuSolve每个时间步长中（通常是0.001~0.01秒量级），EDEM已经进行了多轮的迭代。

CFD瞬态流场动画

颗粒运动的动画

下面我们看几个AcuSolve和EDEM耦合仿真的例子。

案例：农业机械

联合收割机采用气流和筛子相互配合的清选方式。谷粒混合物在筛子中振动，轻的杂质靠气流被吹走，重的杂质由尾筛排除，谷粒通过筛孔进入粮仓。清选室的气流分布对整个筛选效率有重要影响。

联合收割机原理图（图片来自网络）

联合收割机产品图（图片来自网络）

CFD模型：清选室的风速

EDEM：清选室的谷粒运动

案例：旋风分离器

旋风分离器，是用于颗粒分离的一种设备。工作原理为靠气流切向引入造成的旋转运动，使具有较大惯性离心力的固体颗粒或液滴甩向外壁面分开。

入口风速13.4 m/s，3000 个颗粒，双向耦合

CFD瞬态流场动画

颗粒运动的动画

案例：化工设备

流化床，是一种利用流体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。

底部风速2.5m/s，24750个颗粒，双向瞬态耦合

制粒机，搅拌桨的旋转速度确保运动产生涡流，物料充分混合。同时，粒-刀处交汇区域对翻腾的物料团充分打碎成颗粒。搅拌桨与制粒刀的旋转速度能使物料产生三维运动，颗粒产生碰撞、磨擦、剪切，使其磨擦均匀、细致，最后形定稳定球状颗粒。

入口速度2m/s，旋转速度600rpm，5900个颗粒，双向瞬态耦合

案例：食品、制药行业

气力输送是利用气流的能量，在密闭管道内沿气流方向输送颗粒状物料，是流态化技术的一种具体应用。主要特点是输送量大，输送距离长，输送速度较高；能在一处装料，然后在多处卸料。

入口速度15 m/s，一百万粒子，双向耦合

颗粒的气力运输

医用干粉吸入器，可用于模拟干粉药物输送到呼吸道的过程，并识别颗粒积聚的区域。模拟颗粒积聚和吸入器效率。

空气体积流量(50 L/min) ，5000 个颗粒

单向稳态耦合

单向瞬态耦合

双向瞬态耦合

案例：工业设备

叶片泵模型，泵送带有颗粒的液体，双向耦合。

生产线喷涂和干燥过程，在密闭腔体中向固体表面喷射低温液滴，环境是高温空气

VolumeAdded参数查看固体表面有多少水分。当开始喷涂时，颗粒表面水分（ VolumeAdded ）增加。一旦停止喷射，涂层开始干燥，水分又逐渐减小。

案例：家电

真空吸尘器，模拟长条形状的杂物被负压吸入清扫的过程。

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