CFD專欄丨為什么需要CFD+DEM耦合方法分析顆粒兩相流？
什么是顆粒兩相流？
顆粒-流體兩相流在許多行業中都會遇到，包括能源、農業、采礦、食品、制藥等。
他的特點是：顆粒（離散相）被氣體或液體（連續相）夾帶和輸運。顆粒和流體介質之間存在質量，動量和能量傳遞，而且顆粒之間，顆粒和固體壁面也發生碰撞。
模擬顆粒流的數值方法
顆粒相和流體相可以在不同的長度尺度上模擬，通常分為2類：宏觀方法（連續介質）和微觀方法（離散介質）
Fluid – Resolved Euler (Macro)
Solid – Lagrange (Micro)
DNS-DEM
計算代價極其昂貴
Fluid – Unresolved Euler (Macro)
Solid – Lagrange (Micro)
CFD-DEM
相對精確，
計算代價中等
Fluid – Euler (Macro)
Solid– Euler (Macro)
TFM
精度不高
什么是DEM方法？
DEM離散單元法，就是指每個單元都是離散的，有獨立特性的，也就我們常見的顆粒狀物料。
離散元法的核心思想就是在拉格朗日坐標體系下，針對每個顆粒進行檢索，計算由于接觸產生的力，再運用牛頓第二定律進行計算顆粒的加速度/速度和位移的變化，進而得到整個系統的狀態。
為什么我們需要CFD+DEM 的耦合方法？
CFD-DEM
可模擬顆粒-顆粒之間，顆粒-容器之間的碰撞
可模擬顆粒在流體介質中的堆積和分離現象
可模擬顆粒和流場的相互影響
可追蹤單獨或一群顆粒的在流場中的運動軌跡
可計算顆粒受到的流體力
CFD+DEM耦合方法的控制方程
流體相
?Continuity equation:
?Momentum equation:
?Energy equation:
顆粒相
?Newton’s second law of motion (translation):
?Euler’s second law of motion (rotation):
?Energy equation (particle):
Altair? AcuSolve? 和EDEM耦合的特點
顆粒的尺寸可以遠遠大于CFD的網格尺寸。
支持球形/非球形的顆粒，例如不規則形狀的石頭在水中的沉降過程。
可模擬能量耦合，例如熱的顆粒被空氣冷卻
CFD動網格模擬剛體運動，例如顆粒通過振動的篩子或旋轉的風扇葉片。
可模擬傳質現象，例如在顆粒表面鍍液膜(coating)，或濕顆粒的干燥。
CFD和DEM的模型均支持GPU加速計算，對大模型有顯著加速效果。
AcuSolve和EDEM耦合的三種方法
通常可以認為稀疏相的粒子不影響流場，用單向耦合就足夠了，計算代價小。
如顆粒是密相，顆粒總體積/流體體積遠大于千分之一，則考慮雙向耦合。當然這也不是絕對的，主要是看顆粒的存在有沒有顯著的影響流場。
?
第一種方法：單向穩態耦合
顆粒的存在幾乎不影響流場。AcuSolve先完成流場計算后，將穩態結果導出給EDEM即可。
EDEM接著計算顆粒在穩定流場下的運動軌跡。
CFD穩態流場
顆粒運動的動畫
?
第二種方法：單向瞬態
顆粒的存在幾乎不影響流場。但是 CFD的模型參數可以隨時間變化，例如流量，壓力，物性參數等等。
AcuSolve和EDEM需同時求解，AcuSolve只負責數據發送，EDEM只負責數據接收。
入口空氣流量隨之間變化：↗
CFD流場動畫
顆粒運動的動畫
?
第三種方法：雙向瞬態耦合
顆粒的存在顯著影響流場。AcuSolve和EDEM需同時求解，在CFD每個迭代步結束的時刻交換流體的速度、壓力、溫度以及顆粒的位置信息。
EDEM的模型時間步長通常在1e-5秒的量級。因此在acuSolve每個時間步長中（通常是0.001~0.01秒量級），EDEM已經進行了多輪的迭代。
CFD瞬態流場動畫
顆粒運動的動畫
下面我們看幾個AcuSolve和EDEM耦合仿真的例子。
案例：農業機械
聯合收割機采用氣流和篩子相互配合的清選方式。谷粒混合物在篩子中振動，輕的雜質靠氣流被吹走，重的雜質由尾篩排除，谷粒通過篩孔進入糧倉。清選室的氣流分布對整個篩選效率有重要影響。
聯合收割機原理圖（圖片來自網絡）
聯合收割機產品圖（圖片來自網絡）
CFD模型：清選室的風速
EDEM模型：清選室的谷粒運動
案例：旋風分離器
旋風分離器，是用于顆粒分離的一種設備。工作原理為靠氣流切向引入造成的旋轉運動，使具有較大慣性離心力的固體顆粒或液滴甩向外壁面分開。
入口風速13.4 m/s，3000 個顆粒，雙向耦合
CFD瞬態流場動畫
顆粒運動的動畫
案例：化工設備
流化床，是一種利用流體通過顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運動狀態，并進行氣固相反應過程或液固相反應過程的反應器。
底部風速2.5 m/s，24750 個顆粒，雙向瞬態耦合
制粒機，攪拌槳的旋轉速度確保運動產生渦流，物料充分混合。同時，粒-刀處交匯區域對翻騰的物料團充分打碎成顆粒。攪拌槳與制粒刀的旋轉速度能使物料產生三維運動，顆粒產生碰撞、磨擦、剪切，使其磨擦均勻、細致，最后形定穩定球狀顆粒。
入口速度2 m/s，旋轉速度600 rpm，5900個顆粒，雙向瞬態耦合
案例：食品、制藥行業
氣力輸送是利用氣流的能量，在密閉管道內沿氣流方向輸送顆粒狀物料，是流態化技術的一種具體應用。主要特點是輸送量大，輸送距離長，輸送速度較高；能在一處裝料，然后在多處卸料。
入口速度15 m/s，一百萬粒子，雙向耦合
顆粒的氣力輸運
醫用干粉吸入器，可用于模擬干粉藥物輸送到呼吸道的過程，并識別顆粒積聚的區域。模擬顆粒積聚和吸入器效率。
空氣體積流量(50 L/min) ，5000 個顆粒
單向穩態耦合
單向瞬態耦合
雙向瞬態耦合
案例：工業設備
葉片泵模型，泵送帶有顆粒的液體，雙向耦合。
生產線噴涂和干燥過程，在密閉腔體中向固體表面噴射低溫液滴，環境是高溫空氣
VolumeAdded參數查看固體表面有多少水分。當開始噴涂時，顆粒表面水分（ VolumeAdded ）增加。一旦停止噴射，涂層開始干燥，水分又逐漸減小。
案例：家電
真空吸塵器，模擬長條形狀的雜物被負壓吸入清掃的過程。
學習資源
安裝HyperWorks AcuSolve和EDEM安裝包，在線幫助有練習文檔和模型。
或者訪問SimLab視頻學習網站：
https://web.altair.com/altair-for-simlab-learning-center-trls
關于 Altair澳汰爾
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