CFD-DEM的案例
CFD-DEM模擬簡介
圖片摘自Elsevier(Hu et al., 2018)
本文是面向初步接觸CFD-DEM的讀者所寫的簡介類文章，并不是完整的模型綜述，因此未包含許多該領域的重要文獻，建議對該模型有興趣的讀者自行查閱相關文獻，以便對該方法有更為完整的認識，后續(xù)會向大家介紹詳細的CFD-DEM模擬。
作者： 顧龍夏
來源：多相流在線
積鼎科技攜手中國科學院過程工程所聯合舉辦2024國產自主化CFD與DEM軟件發(fā)展論壇
近日，在備受矚目的“2024 東湖·介科學論壇”期間，“可持續(xù)發(fā)展青年分論壇：國產自主化CFD與DEM軟件發(fā)展論壇”順利召開。本次論壇由中國科學院過程工程研究所與上海積鼎信息科技有限公司聯合主辦，由國際介科學組織、中國化工學會過程模擬及仿真專業(yè)委員會協辦，并得到了北京科技國際交流中心的大力支持。近百位來自各大高校、科研院所和企業(yè)界的專家學者齊聚一堂，共同探討國產CFD及DEM軟件的發(fā)展現狀和未來趨勢。
CFD及DEM軟件的發(fā)展對于提升產品設計質量和可靠性、優(yōu)化產品設計流程、減少實驗和測試成本、促進多學科交叉融合等方面具有重要意義。當前，國內市場上廣泛使用的CFD及DEM軟件大多基于平均化的假設，而針對多尺度結構問題的國產仿真軟件認知度相對較低。因此，大力發(fā)展基于多尺度結構分析的國產自主CFD和DEM仿真軟件，對于提升國內工業(yè)軟件的自主研發(fā)能力、支持我國工業(yè)領域的創(chuàng)新和發(fā)展、提高工業(yè)產品的質量和核心競爭力具有至關重要的作用。
在致辭中，積鼎科技總經理傅彥國表示，仿真作為現代工程技術的重要組成部分，其發(fā)展充滿挑戰(zhàn)。從最初的簡單模擬到如今高精度、多尺度的復雜系統仿真，仿真技術正不斷推動著各領域的科技進步與產業(yè)升級。面對國際競爭和技術封鎖，我們需要更加堅定地支持和發(fā)展國產工業(yè)軟件，確保技術安全和產業(yè)自主可控。傅總還介紹了積鼎科技與中國科學院過程工程研究所的緊密合作，雙方旨在攻克國內外技術瓶頸，提升仿真精度與效率，實現多維度、寬領域的融合創(chuàng)新。
本次會議上，由中國科學院過程工程研究所研發(fā)的國產自主高性能格子多相流體力學仿真軟件LMFD2.0正式發(fā)布。該軟件在原有版本的基礎上實現了全面升級，包括求解器與前、后處理無縫集成、求解過程與后處理結果的實時更新與同步、更為全面和直觀的用戶界面以及更廣泛的硬件支持等。
展開 CFD與DEM仿真如何提升石油石化流化床工藝效率？
同時，DEM 能精準預測顆粒碰撞頻率與能量傳遞規(guī)律，為評估催化劑磨損風險提供數據支持。某煉化企業(yè)借助 DEM 優(yōu)化流化床內部構件布局，將催化劑磨損率降低20%-30%，延長催化劑使用壽命 40%，每年減少催化劑更換成本超百萬元。
DEMms非規(guī)則顆粒模擬
針對顆粒團聚這一行業(yè)難題，DEM 仿真同樣提供了有效解決方案。通過設定顆粒間相互作用參數，可模擬團聚形成與發(fā)展過程，進而制定針對性優(yōu)化策略 —— 如調整操作氣速、添加分散劑等，實現顆粒均勻分散，保障氣固兩相高效接觸，為反應效率提升掃清障礙。
四、CFD-DEM 耦合：打破多相流壁壘，實現全維度優(yōu)化
在實際流化床系統中，氣固兩相存在強耦合作用，單獨使用CFD 或 DEM 難以全面反映系統真實狀態(tài)。CFD-DEM 耦合仿真技術，通過雙向數據傳遞實現氣固兩相行為的協同模擬 ——CFD 計算的流體場數據為顆粒運動提供外力輸入，DEM計算的顆粒運動信息反哺流體場方程更新，從而精準復現氣固兩相相互作用的復雜過程。
CFD-DEM耦合技術
在大型氣固循環(huán)流化床設計中，耦合仿真展現出強大優(yōu)勢。此類設備包含提升管、下降管、旋風分離器等多組件，氣固流動狀態(tài)復雜。借助 CFD-DEM 耦合技術，可模擬全回路內氣固兩相分布特征、傳熱傳質效率及設備磨損情況。以循環(huán)倍率優(yōu)化為例，通過仿真可明確不同倍率下的能耗、反應效率與磨損風險，最終確定 “效率 - 能耗 - 壽命” 平衡的最佳參數。某能源企業(yè)通過耦合仿真優(yōu)化后，循環(huán)流化床的能量利用率提升 8%-10%，設備年均維護成本降低 15%，實現了經濟效益與工藝性能的雙重提升。
展開 CFD專欄丨為什么需要CFD+DEM耦合方法分析顆粒兩相流？
為什么我們需要CFD+DEM 的耦合方法？
從 CFD 到 DEM：積鼎流體仿真技術拓展與協同互補之路
在工程模擬技術的前沿領域，積鼎科技憑借對市場趨勢的敏銳洞察和對技術創(chuàng)新的不懈追求，從專注 CFD 軟件逐步拓展到 DEM 軟件領域，實現了兩種技術的有機融合與互補。這一戰(zhàn)略布局不僅順應了行業(yè)發(fā)展需求，更為解決復雜工程問題提供了更強大的工具。
一、CFD 與 DEM 概念解析及適用領域
CFD 作為計算流體動力學的核心技術，通過離散化求解納維 - 斯托克斯方程，在模擬流體流動、傳熱及化學反應等方面表現卓越。在航空航天領域，CFD 能夠精準模擬飛行器周圍的氣流，助力優(yōu)化外形設計，降低空氣阻力，提升飛行性能；在汽車工業(yè)中，它可以模擬發(fā)動機內的燃燒過程，提高燃油效率。然而，CFD 并非萬能，尤其在處理顆粒體系時存在明顯短板。當面對高濃度顆粒 - 流體兩相流，如礦石研磨、氣力輸送等場景，CFD 將顆粒相視為連續(xù)介質的簡化處理方式，難以捕捉顆粒間復雜的相互作用，對顆粒運動軌跡和碰撞行為的模擬精度大打折扣。而且，對于復雜形狀和特殊性質的顆粒，CFD 在網格生成和特性考慮上困難重重，容易引入數值誤差。
與 CFD 不同，DEM 專注于顆粒材料行為模擬。它把每個顆粒當作離散個體，跟蹤其位置、速度和旋轉狀態(tài)，通過一系列力定律模擬顆粒間的相互作用。在建筑行業(yè)的混凝土攪拌過程模擬中，DEM 能精確考慮水泥顆粒與骨料的形狀、性質差異，優(yōu)化攪拌工藝，提升混凝土質量；在糧倉谷物存儲模擬里，它可預測谷物堆積形狀和密度分布，保障存儲穩(wěn)定高效。DEM 在處理復雜顆粒特性和相互作用方面的獨特優(yōu)勢，恰好彌補了 CFD 的不足。
二、DEM 的獨特優(yōu)勢
（一）精確描述顆粒個體行為
DEM 最大的優(yōu)勢之一在于能夠精確描述每個顆粒的個體行為。它可以詳細跟蹤每個顆粒的位置、速度和旋轉狀態(tài)隨時間的變化。在模擬顆粒流動過程時，DEM 能夠清晰展現顆粒的運動軌跡，以及顆粒之間的碰撞、摩擦和堆積等現象。
展開 用計算流體動力學-離散元法分析軸流泵的流場和溶血指標
同時，EDEM（EDEM是用于散裝材料模擬的DEM軟件）計算出的血細胞粒子速度較快，導致血細胞溶血。因此，該區(qū)域的結構設計與溶血指數相關。
圖4.血泵的內部壓力云圖和血細胞的粒子速度。[1]
以8000r/min為例，血泵內速度場分布如圖5所示。由于葉輪轉速較高，血泵內血流最高速度位于葉片頂部靠近壁面的位置。從圖中數據來看，血流的最大速度約為7.27m/s。通過EDEM中的粒子速度合成分析得到的血細胞最高速度達到13.6m/s。
圖5.血泵的速度云圖和血細胞的粒子速度。[1]
圖6為血細胞粒子軌跡。結合圖4-6分析，可以得出結論：在血細胞粒子的運動軌跡中存在少量的流動分離（場速度、粒子速度與圖6中紅色軌跡的差異），從而降低了血泵的升力比。由于葉頂間隙為0.1mm，從圖6（a）中可以看到少量血細胞穿過葉輪邊緣直接流出。
圖 6. 血細胞粒子軌跡：（a）血細胞流動圖。(b) 軸向血細胞粒子軌跡圖[1]
圖7為轉速8000r/min，流速5.78L/min時，各區(qū)域溶血預測平均值及整體情況。由分析可知，CFD和CFD-DEM方法得到的先導葉片區(qū)域溶血值分別為3.78×10-6 和4.01×10-6，后導葉片區(qū)域溶血值分別為1.05×10-3 和1.11×10-3。它們遠低于葉輪區(qū)域的值5.05×10-3和5.31×10-3，因此可以忽略先導葉片區(qū)域對整體溶血性能的影響。同時，與CFD方法相比，CFD-DEM方法得到的溶血值增加了約4.75%。
圖 7.CFD 和 CFD-DEM 方法進行的溶血預測。[1]
當紅細胞以低速碰撞血管壁時，是相對安全的。
展開 濃相氣固流動模型：MP-PIC
，并通過積分牛頓運動方程不斷更新其速度和位置，從而使其同時具有了TFM和CFD-DEM兩者的特點；
3
MP-PIC能計算大規(guī)模顆粒系統氣固流動，同時還能對固相在顆粒尺度進行描述。
船舶與浮冰的碰撞仿真模擬
目前，此類實驗對實驗材料的要求較高（如建造船模，拖曳水池，造冰器等），現實中不易實現，CFD仿真模擬則成為很好的研究方式。
本文針對船舶與浮冰的碰撞，提供一種簡要的CFD仿真技術路線并進行實驗結果對比，用以說明使用CFD工具實現船舶與浮冰仿真模擬的可行性。
離散元技術大會丨三一集團、現代汽車公司、默克醫(yī)療集團嘉賓邀您參會，共探顆粒材料的仿真世界
在這種情況下，離散元法（DEM）和計算流體力學（CFD）等數值方法具有很大的潛力，可在宏觀和微觀上對過程力學有更深入的理解，并可用于直接進行虛擬工藝優(yōu)化。在本報告中，將討論 Novo Nordisk 在 DEM 和 CFD-DEM 建模的應用，以及藥品生產過程的兩個基本組成部分 - 氣動輸送和壓片。
國產CAE軟件有哪些？
軟件具有先進的網格處理技術、豐富的物理模型、高效的圖形交互界面、快速的求解速度、高精度算法等核心優(yōu)勢，可以模擬不可壓縮湍流與分離流、多剛體6DOF運動、流固耦合換熱、固體導熱與熱輻射、多孔介質滲流、化學反應流、稀薄氣體流、多相流、空化、離散相流動、標量輸運、氣動/水動聲學等復雜物理過程，還能夠實現與TF-Struct（CFD-CSD）、TF-Particle（CFD-DEM）、TF-Acoustic（CFD-CAA）等多學科的耦合仿真。
如有遺漏或不準確之處，歡迎在留言區(qū)指正。
目前國外軟件已步入市場推廣階段，而中國CAE軟件仍處于研發(fā)階段。面對時代賦予的機遇和挑戰(zhàn)，國家超級計算無錫中心“神工坊”團隊，秉持“算力賦能、協同創(chuàng)新”的理念，提供高性能仿真應用定制開發(fā)服務，基于客戶需求和客戶實際工作場景，開發(fā)定制化高性能仿真應用，賦予其高保真仿真能力的同時，具備友好的用戶使用體驗。
神工坊仿真應用定制案例
1、ConRodSim
此應用是通過與汽車零部件企業(yè)合作，針對汽零常用部件開發(fā)定制化仿真APP，根據初始幾何外形、約束和目標參數，自動化實現零件的形狀優(yōu)化，實現企業(yè)降本增效目標。
2、TankSim
此應用是與江蘇物流裝備企業(yè)合作，針對其罐箱運輸過程中，箱內液體晃動情況及液體沖擊對箱壁結構損傷等實際場景，開發(fā)定制化仿真APP，實現兩相流及流固耦合的聯合仿真。
3、WTSim
此應用是與風電整機企業(yè)合作，針對風場風力機在非定常入流情況下，整機流場及受力分布情況，開發(fā)定制化仿真APP，實現從網格劃分到后處理的全流程仿真作業(yè)。
展開 線上會議丨離散元仿真技術（DEM）如何解鎖食品制造新‘食’代"？
會議日程
13:00-13:05
歡迎辭和介紹
Senthil Arumugam
Altair 離散元技術全球銷售高級總監(jiān)
13:05-13:35
加速食品加工創(chuàng)新：利用 EDEM 進行仿真測試和設計優(yōu)化
Renan Cardoso Calmon
Altair EDEM 高級解決方案工程師
13:35-13:55
口香糖包衣工藝：制造單元的高效優(yōu)化實踐--韓國樂天食品公司案例
Jungkil Shim
Altair EDEM 高級技術專家
中場休息
14:00-14:20
黏性乳品粉末稀相氣力輸送的 CFD-DEM 聯合仿真研究
Harry Van Den Akker
愛爾蘭利默里克大學伯納爾流體力學教授
14:20-14:35
DEM 驅動的混合工藝數字孿生建模與優(yōu)化
Mohan Nainegali
Altair DEM 技術解決方案專家
14:35-14:50
會議精彩總結
Senthil Arumugam
Altair DEM Technology 全球銷售高級總監(jiān)
*最終日程以會議當日為準
立即報名
溫馨提示：因服務器地域問題，掃碼后需等待5秒，請耐心等待自動跳轉至報名頁哦~
特邀演講嘉賓
Senthil Arumugam
Altair 離散元技術全球銷售高級總監(jiān)
展開 
CFD在心血管系統研究中的應用，速度較國外商軟顯著提升
AI友好，可與AI模型連接
四、總結
CFD在心血管系統中的應用核心是將“形態(tài)學影像”轉化為“力學量化指標”，解決了傳統影像學無法回答的“力學機制”問題：
從“是什么病變”到“為什么發(fā)生”；
從“如何治療”到“如何優(yōu)化治療”；
從“群體經驗治療”到“個性化精準治療”。
隨著CFD技術與醫(yī)學研究的結合，其在臨床中的轉化應用將更加廣泛，推動心血管疾病診療從“定性描述”向“定量預測”發(fā)展。
CFD在心血管系統研究中的應用，速度較國外商軟顯著提升
AI友好，可與AI模型連接
四、總結
CFD在心血管系統中的應用核心是將“形態(tài)學影像”轉化為“力學量化指標”，解決了傳統影像學無法回答的“力學機制”問題：
從“是什么病變”到“為什么發(fā)生”；
從“如何治療”到“如何優(yōu)化治療”；
從“群體經驗治療”到“個性化精準治療”。
隨著CFD技術與醫(yī)學研究的結合，其在臨床中的轉化應用將更加廣泛，推動心血管疾病診療從“定性描述”向“定量預測”發(fā)展。
基于PINN的極少監(jiān)督數據二維非定常圓柱繞流模擬
百度與西安交通大學的研究人員一起，利用飛槳框架和科學計算工具組件PaddleScience，首次實現了基于物理信息約束神經元網絡（PINN）方法，利用極少量監(jiān)督點模擬二維非定常不可壓縮圓柱繞流，將同等條件的CFD流場求解耗時降低了3個數量級。因為會議論文在網上無法下載，因此附上該論文的詳細介紹（圖1為論文封面），方便感興趣的研究人員了解論文情況以及飛槳和PaddleScience的能力。
會議論文代碼下載地址
https://github.com/tianshao1992/PINNs_Cylinder
圖1 ACFD2022會議收錄摘要
研究背景
計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）是研究流體力學問題的一種有效方法。CFD模擬通過在表示流體區(qū)域的網格上求解流體力學納維-斯托克斯方程組（一種偏微分方程）來實現。在過去的幾十年中，CFD模擬在模擬不同工程領域的流體問題方面取得了巨大進展，并已成為流體力學中的重要工具。
然而，CFD模擬存在一定的限制。當流體域和流場復雜時，網格生成可能是一項困難的任務。更細的網格可以給出更準確的結果，但它在時間和資源上的計算成本很高。通常，學者們會通過局部網格加密在精度和計算成本之間進行權衡
[1]
。然而，這會導致另一個問題，即如果在相鄰的局部網格塊的交界處，網格尺寸變化太快，則交界處網格的質量可能會變差，因此即使進行了局部網格加密，也需要兼顧不同網格塊之間的網格尺寸過渡。此外，不同物理現象需要不同的網格尺寸。例如，在CFD-DEM模擬中，需要對網格進行特殊的處理來適合細小顆粒的模擬[2]。因此，如果CFD模擬不需要網格，則能從本質上克服上述挑戰(zhàn)。
展開 淺析“碳中和”戰(zhàn)略中鋰電池熱失控機理、COMSOL仿真和對策
基于離散元的合漿工藝優(yōu)化
高精度CFD與多孔介質耦合的電極干燥模型分析
CFD-DEM耦合的電極材料性能分析
4、增加電池組均衡性；優(yōu)化電芯模組結構設計，增強壓力泄放、阻隔蔓延的能力；
高效均衡管理功能的電池管理系統能夠大幅提高動力鋰電池組的整體性能、有效的延長電池組的使用壽命、大大降低整車的使用和維護成本
寧德時代的新型NMC811電池組采用航空級耐熱材料和定向熱導流技術，即使單體發(fā)生熱失控，也能做到系統不蔓延、不起火。
電芯模組的結構設計中，為可能發(fā)生的電池噴焰和熔融物質提供泄放通道，控制電池燃燒時對大范圍電池組的影響，也是一種可行有效的方式。
5、改進BMS內的SOC、SOH算法，提高安全診斷精度和風險預測能力；
現有的SOC算法為安時積分法：
alpha為自放電及老化修正因子；SOC0為充放電起始狀態(tài)；CN為電池額定容量；I為電池實時電流；η為充放電效率。
安時積分法的問題是，初始SOC0的難以判斷，無法直接得到。另外，由于系統電流的波動性很大，而電流采樣是間隔一定時間進行一次，使得采樣值與一段時間的平均值并不一定近似，長時間累積下來，造成比較明顯的誤差，并且誤差不是安時積分法自己能夠消除的。雖然通過一些策略來提供各個參數的準確性，但仍然存在無法消除的長期累計誤差，最終將體現為電池當前容量估計不準確，真實壽命誤差大，造成安全事故。
耦合神經網絡算法和電化學機理模型的機器學習SOC算法，通過大數據學習和機理模型相互校正，等效于在BMS端植入電芯的數字孿生模型，實時進行SOC的分析，在電池全生命周期內的綜合誤差<3%?；跍蚀_的SOC基礎上，算法未來將引入更多物理場的因素來綜合評估SOH，電池健康指數。
展開 