農業機械清選仿真-Fluent-RockyDEM單向耦合

        最近嘗試了Fluent與Rocky DEM單向耦合,記錄下使用的心得。Rocky DEM被Ansys收購之后,它們之間的耦合幾乎無需復雜的配置了,RockyDEM安裝上即可實現和Fluent的耦合。這里有一個雙層篩的清選段模型,出口裝有風機,設計風量為12000m3/h。右上入口落入原糧、清雜(包含長短不一的水稻莖稈),其中原糧占混合物總重的97.5%;右側通道中有一料滾以52rpm的速度順時針旋轉,用以控制下落原糧的產量。按設計意圖,幾乎所有原糧應進入下方的雙層篩部分(未建模部分)進行篩選,可能有一定量的混合物由于雙層篩的振動加上風機作用到達左側通道入口,且其中會有部分莖稈進入清選腔。設計希望盡可能所有清雜進入清選腔并最終在腔低被收集,且盡可能不從出口飛出。

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        為演示起見,這個案例采用穩態CFD和離散元單向耦合。首先在SpaceClaim中刪去一些細微特征以保證后續得到質量較高的網格。模型關于xy平面對稱,為減少計算網格數量,在抽取流體域之后取1/2模型為計算區域。同時在料滾周圍創建一個圓柱作為MRF(Multi-Reference Frame)方法的空氣旋轉域和靜止域的邊界,后續將在旋轉域中使用一個轉速為52rpm的旋轉坐標系。最后將旋轉與和靜止域之間進行共享拓撲,確保網格共節點。模型需要給各個邊界設置Name-Selcetion,詳見評論區鏈接中scdoc文件,該模型已經被處理成1/2封閉幾何模型,需要用SpaceClaim2021R2或更高的版本打開。

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        在Fluent-Meshing中以skewness≤0.8為標準生成面網格,面網格最大尺寸34.2mm,最小尺寸2.1mm,并施加全局曲率細化控制和鄰近細化控制。后基于面網格生成多面體體網格,體網格和面網格最大尺寸相同,盡量保證cell quality≥0.15。關于Fluent-Meshing的WaterTight封閉幾何的畫網格流程網絡上已經有很多視頻資源,這里不做細講。

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        設置穩態CFD計算,并啟用粘性湍流模型中的k-e Realizable模型,此模型適用于有個別網格質量稍差且無強曲率旋轉的情形,且對網格質量要求不高。材料為常溫下的空氣。

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        在Cell Zone的設置中輸入MRF旋轉域的轉軸原點、轉速、轉軸方向。其中轉軸原點可以設置為一端的中心。這個點的坐標可以提前通過spaceclaim中的測量功能點擊料滾的軸或者一端的中心點測量出來,然后記錄下這個點的坐標,輸入進axis origin一欄。

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        右上方入口設為-100Pa靜壓,左下方和右下方入口設為表壓為0的條件。出口質量流量為向外2.0415kg/s(6000m3/h,因為是1/2模型,故設置為一半的設計風量)。

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        圖中的綠色面和料滾處的紅色面設置為對稱面,其余未提及的面設置為無滑移壁面。

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        解算方法采用默認設置,計算步數設為2000個迭代步,報告頻率為每5個迭代步一次。

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        殘差大體減小至允許容差之內,且監視出口靜壓在一個較小的范圍內波動,即停止計算。

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        CFD計算完成后,先輸出為case and data,然后點擊Rocky Export下的Export one-way data=>Export current data to Rocky,這是穩態流場與DEM耦合會用到的。此時會在工作目錄中輸出.f2r文件,作為單向耦合時的流場條件輸入給離散元。同時還有各個邊界的幾何的.stl文件。現在可以關閉Fluent,打開Rocky DEM。

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         新建項目后右鍵點擊Data瀏覽器中的Geometries,點擊Import Geometry,導bot入上步保存的.cas文件。可以看到各部件以fluent中的邊界命名。選擇其中的upper-inlet、bot-inlet1、channel-inlet、outlet、對稱面sym-sta和對稱面面右鍵點擊刪除,因為這些面在實際物理中是不存在的,可能會發生物質的流進流出。

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        圖形界面如下。

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        接下來需要創建顆粒的注入入口的幾何與位置。右鍵Geometries,點擊Create Inlet。創建bot_inlet1和upper_inlet兩個顆粒入口,每個顆粒入口屬性如下。

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        在Data欄中點擊Physics,設置重力加速度為y-方向9.81m/s2。

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        由于模型中有個運動部件——料滾,以52rpm的速度順時針旋轉,首先需定義旋轉運動系,右鍵點擊Motion Frames,選擇Create Motion Frame,然后按下方屬性設置旋轉系屬性,這里的Relative Position就是Fluent里Frame Motion設置的旋轉的origin。Rotation Vector根據右手定則因為料滾在面向我們的這一側是順時針旋轉,所以轉軸指向z-方向,那么vector就是(0,0,-1)。在仿真過程中料滾一直在旋轉,所以Stop Time設置長一些,只要超過你設置的仿真時長就行。Type選擇Rotation,初始速度為-52rpm,而且這里我們認為料滾是勻速轉動,故旋轉加速度為0。

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        要想讓料滾運動,還得將這個旋轉運動系賦予到部件上。點擊Geometries下的blade_wall,在Data Editor中點擊Geometry選項卡,在Motion Frame中選擇剛才設置好的旋轉運動系的名稱。

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        想預覽部件運動是否正確,回到Motion Frames項目,點擊Preview。此時會彈出一個新的preview的圖形窗口,并且在料滾的軸線處有一個局部坐標系,此時點擊上方的播放按鈕,可以預覽部件播放動作,如果順時針旋轉,則說明剛才的設置無誤。

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        接下來點擊右側Windows中的3D Views<01>,退出部件運動預覽模式并回到常規的3D圖形界面。

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        創建水稻顆粒、清雜(長短不一的莖稈)和設備壁面材料屬性。右擊Materials,選擇Create Material,分別創建稻種顆粒(rice)、清雜(stem)和設備壁面(equip)材料屬性如下。

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        再到Geometries這里,點擊blade_wall,在Material這里選擇equip,給料滾賦予equip材料。同理所有其他設備壁面都這樣進行操作。

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        各種材料之間需要設置接觸參數,點擊Material Interactions,坐下角兩個下拉欄可以選擇已設置的任意兩種材料之間的配對,比如這里選擇rice和equip,設置稻種和壁面之間的靜摩擦系數、動摩擦系數和碰撞恢復系數等。同理設置其他材料對的接觸參數如下。

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        之后需要設置顆粒種類和形狀。以稻種顆粒為例,右擊Particles,點擊Create Particle,在Daata Editors的Particle中命名為rice,Shape選擇Sphero-Polyhedron(多角球體)。下方的Size中的Size Type選擇篩分尺寸(Sieve Size),點擊+添加尺寸分類,單位設置為m,短軸尺寸設置為0.007(因硬件條件有限顆粒巨多,所以在原尺寸基礎上進行了一定倍數的粗?;?。在Shape標簽中的Verticle Aspect Ratio中填入2。點擊View按鈕在圖形界面查看顆粒形狀。同理設置短、中、長莖稈(分別命名為sstem、mstem、lstem),Shape為直纖維(Straight Fiber),Sieve Size均為0.002,Verticle Aspect Ratio則分別為8、15、25,它們也進行了同樣倍數的粗粒化。

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        點擊右側WIndows中的3D View<01>,返回模型界面?,F在要設置每個顆粒注入口的顆粒注入種類、注入流率、注入持續時間等。右擊Data欄中的Inputs,點擊Create Continuous Injection。首先為右上方入料口創建粒子注入參數,命名為upper_inlet,Entity Point設置為upper_inlet,點擊下面particle選項卡的+號添加注入的顆粒種類并填入相對應的流量如下。

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        切換到Time選項卡,輸入開始時間為0s,結束時間為1000s。

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        同理設置一個名為bot_inject 的Continuous Injection,Entry Point為bot_inlet1,各種顆粒的流量如下,開始和結束時間與upper_inlet相同。

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        另外,我們在這里加一個體積填充條件。右擊Inputs,選擇Create Volume Fill,命名為stockgrain,設置Particles和Regoin如下。Region當中的Seed坐標指的是填充顆粒最初發生處的坐標,這個保證在右側腔體內即可。然后幾何中選中所有wall作為限制種子填充的硬邊界。同時在box bounds中設定一個長方體區域將這個顆粒體積填充區域限制其中,需要輸入長方體的中心坐標和各維的長度。相應的區域會在圖形界面中顯示。

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        CFD耦合設置:點擊CFD Coupling,下方的Coupling Mode下拉列表中選擇1-Way:Constant(Fluid-Particle),這便是穩態流場單向耦合離散元的方式。此時自動彈出一個文件選擇的對話框,選擇之前由Fluent導出的.f2r文件即可。我們會發現CFD Coupling下多出一個1-Way Fluent,點擊它左下角會出現一個設置粒子受力模型的地方。這里對于非球形顆粒,所有的Drag Law均設置為Schiller&Nauman,Lift Law選擇Saffman。

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        隨后點擊Domain Settings,勾選Use Boundary Limits,軟件根據幾何范圍自動確定計算域的范圍。

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        點擊Solver,設置Simulation Duration為5.8s,輸出頻率為0.05s輸出一個結果,在General選項卡中可設置CPU或GPU。貌似無需設置仿真的時間步長,這個可能是軟件根據模型情況自動決定的。最后點擊Start按鈕進行計算。

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        計算過程中可點擊上方的顆粒相關變量按顏色顯示的下拉列表,查看顆粒當前的各種變量云圖分布。

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        根據我的使用狀況,并結合以前使用EDEM的經歷,總結下來:

        1)Rocky在非球形顆粒的形狀設置上比EDEM要方便一些。用過EDEM的都知道,如果是形狀稍微復雜的顆粒可能需要用一個個元顆粒填充,還要用到bond模型,工作量不小。

        2)Rocky允許在計算前預覽部件運動,這一點方便判斷Frame Motion是否設置正確。

        3)畢竟現在同屬于Ansys的模塊,相比EDEM,Rocky和Fluent的耦合更加絲滑。而EDEM與Fluent需要通過UDF耦合,并且有版本限制,配置較為繁瑣。關鍵是這個耦合UDF的更新并不是Ansys的人員執行的,而是Altair的工程師,而且更新得并不勤。當然EDEM和HyperWorksCFD算一對CP,但是我個人非常不愛用HyperWorksCFD,覺得它的內包面功能比較差。

        4)Rocky在計算時可以查看有關顆粒的變量云圖分布,而EDEM基本只能等計算結束。

        5)因為EDEM的市場占有率較高,現在已經開發出了較多的和其他軟件的耦合方法,如AnsysWorkbench、Recurdyn、SimSolid等等;Rocky目前只能和Ansys自己的模塊耦合。

        6)求解效率上感覺EDEM高一點,而且EDEM允許同時使用GPU和多個CPU;Rocky不能兩者同時使用。

        7)EDEM提供的材料庫對于做顆粒物料的對標試驗有極大的便利,它可以根據輸入的休止角提供若干種接觸系數的組合;而Rocky似乎沒看到有這樣的功能。

        8)也許是我Rocky使用還不熟,在后處理上Rocky似乎不太好測量每種顆粒在某處的質量流量,這一點EDEM更方便,EDEM后處理能夠設置質量流量傳感器,還能通過設置Grid來顯示物料不同分層的速度等。

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