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) FluidResolvedEuler(Marco)Solidlagrange(micro) DNSDEM 计算代价极其昂贵 FluidUnresolvedEuler(Macro)Solidlagrange(Micro) CFDDEM 相对精确,计算代价中等 FluidEuler(Macro)SolidEuler(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CFDDEM的耦合方法? CFDDEM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 CFDDEM耦合方法的控制方程 流体相 Continuityequation: Momentumequation: Energyequation: 颗粒相 Newton’ssecondlawofmotion(translation): Euler’ssecondlawofmotion(rotation): Energyequation(particle): AltairAcuSolve和EDEM耦合的特点 颗粒的尺寸可以远远大于CFD的网格尺寸。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。可模拟能量耦合,例如热的颗粒被空气冷却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。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。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1e5秒的量级。因此在acuSolve每个时间步长中(通常是0。0010。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。4ms,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。5ms,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2ms,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15ms,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(50Lmin),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。 学习更多拓扑优化在线教程,请点击: https:web。altair。comaltairforsimlablearningcentertrls 关于重庆荟奇安科技有限公司 公司注册资金1000万元,是一家专注于CAE仿真技术的高新技术企业,公司致力于成为具有核心竞争力和品牌影响力的一流仿真服务供应商。公司是Altair、MSC软件公司的精英合作伙伴和增值服务商。面向智能制造企业、高校和科研机构,致力于提供最优的仿真软件组合解决方案工具;同时为客户提供多物理场仿真技术服务、多学科优化和轻量化、集成优化开发等技术服务,持续成就客户,不断为客户创造最大价值。 欲了解更多信息,欢迎访问: http:www。admsi。cn