CFD-DEM耦合仿真的案例
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律，為評估催化劑磨損風險提供數據支持。某煉化企業借助 DEM 優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非規則顆粒模擬
針對顆粒團聚這一行業難題，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展過程，進而制定針對性優化策略 —— 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。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
在大型氣固循環流化床設計中，耦合仿真展現出強大優勢。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。以循環倍率優化為例，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。某能源企業通過耦合仿真優化后，循環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
CFD 可以對高爐內的氣流分布、溫度場進行模擬，幫助工程師了解高爐內的宏觀熱工狀態。但高爐內爐料顆粒的運動、堆積和還原反應過程十分復雜，CFD 難以精確描述。
DEM 能夠將爐料顆粒視為離散個體，考慮顆粒的大小、形狀、密度以及顆粒間的摩擦力、碰撞力，還有高溫下顆粒的物理化學變化。通過 DEM 模擬，可以清晰展現爐料顆粒在高爐內的下降過程、分布情況，以及顆粒與氣流的相互作用對還原反應的影響，為優化高爐布料制度、提高鐵水質量和產量提供關鍵數據支持。
基于離散模擬軟件DEMms的高爐爐頂布料模擬
（三）制藥行業：藥物顆粒混合與制劑工藝
在制藥行業中，藥物顆粒的混合均勻度直接影響藥品質量。CFD 在模擬藥物顆粒混合過程中，通常將顆粒相簡化處理，難以準確反映顆粒間復雜的相互作用。
而 DEM 可以針對不同形狀、大小和性質的藥物顆粒，設定精確的相互作用參數。在模擬藥物顆粒在混合器中的混合過程時，DEM 能夠詳細跟蹤每個顆粒的運動軌跡，分析顆粒的團聚與分散行為，預測混合時間和混合效果。此外，在制劑工藝中，如壓片過程中顆粒的壓實和成型，DEM 也能模擬顆粒在壓力作用下的變形、位移和相互作用，幫助優化制劑工藝參數，確保藥品的質量和穩定性。
基于離散模擬軟件DEMms的藥物膠囊顆粒模擬
四、CFD 與 DEM 的耦合趨勢
CFD 和 DEM 各有特點和優勢，在一些復雜的多相流問題中，單獨使用 CFD 或 DEM 都無法全面準確地描述整個系統的行為。
CFD 與 DEM 的耦合趨勢為積鼎科技的軟件發展指明了新方向。如在氣力輸送系統模擬中，通過耦合，CFD 計算的流體參數傳遞給 DEM 計算顆粒受力，DEM 計算的顆粒反作用力反饋給 CFD，實現對氣體流動和顆粒輸送過程的全面準確模擬，深入理解系統工作機制，為系統優化設計提供更全面的依據。
展開 基于DEM-MBD耦合仿真的地面車輛力學解決方案
圖3 考慮土壤粘性和可壓縮性的EEPA接觸模型仿真
2、多體動力學方法
虛擬樣機技術是當前設計制造領域的一門新技術，它利用軟件建立機械系統的三維實體模型和力學模型，在各種虛擬環境中真實地模擬系統的運動，分析和評估系統的性能。多體系統動力學是虛擬樣機技術的核心理論，包括多剛體系統動力學和多柔體系統動力學，是研究多體系統運動規律的學科。多體系統一般由若干個柔性和剛性物體相互連接所組成，其結構和連接方式多種多樣，因而動力學方程式一般都是高階非線性方程，特別是多柔體系統的動力學方程是強耦合、強非線性方程，只能通過計算機用數值方法進行求解。
車輛是一個復雜的多體系統，外界載荷的作用更加復雜多變，“人-車-路”三位一體的相互作用使車輛動力學模型的建立、分析、求解始終是一個難題。多體動力學的迅速發展為車輛動力學的研究提供了一個方便快捷的手段。由此，車輛動力學研究的力學模型逐漸由線性模型發展到非線性系統模型；模型的自由度由二自由度發展到數十個自由度，甚至到數百個上千個自由度。模擬計算也由穩態響應特性的計算發展到瞬態響應特性和轉彎制動特性的計算。目前多體動力學仿真已日漸成為國內外的各主要車輛和研究機構的通用方法和標準。目前在車輛領域廣泛應用的多體動力學仿真軟件有多種，包括MSC.ADAMS、Recurdyn、西門子公司的Virtual Lab Motion等。
圖4 ADAMS中車輛仿真
3、DEM-MBD耦合
EDEM軟件均可以實現與MSC.ADAMS、Recurdyn、Virtual Lab Motion等的耦合仿真。
展開 
基于LS-DYNA的ALE和DEM耦合爆炸仿真（k文件） ￥50
<p>LS-DYNA中的ALE和DEM耦合爆炸仿真（k文件）</p><p><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center">
<figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202601/attachment/9f8cfec0517043959ec9fbaab3ef58ae.gif" style="display: inline-block;" data-regular="true">
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展開 【Abaqus DEM-FEM耦合】聲音能看得見嗎？Chladni Plate仿真模擬 ￥599
小提琴和吉他面板的克拉尼圖形
03
克拉尼板的Abaqus仿真模擬
在Abaqus中，克拉尼板的模擬大致可以分為三個層面，仿真建模的難度是逐漸增大的，用到的分析類型依次是：
模態分析
如果你只關心板子上顆粒分布的形狀，那就只需要進行模態分析，最后看模態節線就行了，分析步采用采用*Frequency即可，Standard求解器。
模態動力學
假如你想知道板子的整體動力學的時域響應，沙粒運動對它的影響其實是可以忽略的，這時原本復雜的力學過程就簡化成了一個線性動力學問題，使用*Modal dynamics就能解決，同樣是Standard求解器。
顯式動力學
假設你想要復現整個過程，沙粒的運動與接觸就必須考慮在內了，這個時候就是一個高度非線性的有限元模擬問題，只有通過Explicit求解器進行DEM-FEM耦合分析才能解決。
我們現在以一個300×300mm的金屬板為例，首先用模態分析計算出板子固有頻率5000Hz以內的各階模態，下面是其中的一部分的計算結果。
金屬板的部分低頻和高頻振動模態
然后忽略顆粒，用一個501Hz的激振力，使金屬板振動起來，模態動力學計算結果表明，板子穩定之后的振動形態與該階模態的振型一致。
金屬板模態動力學
最后，是我們的DEM-FEM顯式動力學模型，為了考察整個動力學過程，模型中一共引入6498個離散單元，這些微小顆粒用來模擬克拉尼板實驗中的沙粒。
克拉尼板DEM-FEM耦合模型
第一個工況，我們使用260Hz的激振力，板子的振動起來后，顆粒出現了有規律的重新分布。
展開 2024年RecurDyn優秀案例競賽作品分享：基于DEM-MBD耦合的花生播種單體工作過程仿真與試驗研究
摘要：本研究設計一臺雙鎮壓輥結構花生播種單體，并采用基于DEM-MBD耦合的方法建立了幾組作業過程的仿真動力學模型。通過參數化方法選用合理的力學模型。獲取仿真所需參數和設置仿真參數等一系列操作完成了耦合模型的建立。研究表明，基于DEM-MBD耦合的方法為花生播種單體作業性能評價和機具設計提供了一種新研究方法。
關鍵詞：花生播種，離散元，多體動力學，耦合仿真
一、研究背景及目的
花生，原名落花生，是我國產量豐富、食用廣泛的一種堅果，也是世界上最主要的經濟作物與油料作物之一。我國的花生種植面積非常廣泛，由圖1可以看出全國各地基本均有種植地區。但由于近年來氣候變化等自然和人為原因導致花生產量銳減。因此，我們在人為原因造成的花生減產方面進行控制。如圖2所示為2023年某教授團隊研究了一款2BMF-48花生覆膜播種機，這是國內目前較為先進的花生播種機。該款花生播種機適用于有覆膜要求的花生播種方法，能一次性完成花生的播種及覆膜過程。但是，目前花生播種單體起壟質量大多都是能夠滿足現在生產要求，但是效果不理想。為了研究提高花生播種單體起壟質量，本研究采用DEM-MBD耦合的方法設計花生播種單體，并對其進行驗證，確保其準確性。
二、建模過程
本研究設計的機具主要由施肥開溝器、圓盤回填器、起壟鏟、牽引裝置、肥箱、變速箱、種箱、排種器、傳動裝置、主機架、及鎮壓裝置等組成，如圖3所示。
接觸的土壤部分選用Hertz-JKR模型，土壤顆粒模型分為1球、3球、3球，如圖4所示。土槽模型的長寬高分別為4000mm、1200mm、300mm，如圖5所示。
展開 CFD專欄丨電池電芯熱電耦合仿真
點擊模型樹的update提交CFD計算，演示模型采用8CPU核約計算6分鐘。
放電2700秒后的溫度、電流密度、電壓和SOC：
0~2700 秒電池表面溫度動畫：
詳細操作視頻：
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關于 Altair 澳汰爾
Altair（納斯達克股票代碼：ALTR）是計算科學和智能領域的全球領導者之一，在仿真、高性能計算 (HPC) 和人工智能等領域提供軟件和云解決方案。Altair 能使跨越廣泛行業的企業們在連接的世界中更高效地競爭，并創造更可持續的未來。
公司總部位于美國密歇根州，服務于13000多家全球企業，應用行業包括汽車、消費電子、航空航天、能源、機車車輛、造船、國防軍工、金融、零售等。
欲了解更多信息，歡迎訪問：
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展開 用于 ICEV 耦合 CHT 仿真的保真 CFD
通過運行瞬態和穩態仿真（包括使用 Omnis 的熱部件的輻射），輕松識別引擎蓋下或車身底部系統中的熱點，預測外部空氣動力學性能并捕捉諸如熄火和浸泡以及爬坡等真實場景。
圖 3. 發動機表面溫度（左）、排氣系統靜態溫度和車身底部流場（右）。
結論
完全耦合的 CHT 仿真為車輛的空氣動力學和熱性能提供了更真實的結果。從計算輻射分量到捕獲固體和流體域熱傳遞中涉及的物理現象，Fidelity CFD 只需最少的用戶干預即可完成這一切。隨著汽車行業設計周期的縮短，像 Fidelity CFD 這樣的多方面仿真平臺面臨著在更短的時間內預測車輛熱行為的挑戰。
文章來源：cadence博客
展開 THESEUS-FE與CFD雙向耦合仿真測試
THESEUS-FE Coupler模塊可實現傳熱—CFD協同仿真。不依賴于第三方軟件，Coupler可實現THESEUS-FE和CFD求解器Star-CCM+或OpenFOAM之間的雙向耦合仿真，最為精確地仿真流體對結構的對流效應和結構溫度對流動的影響。
為測試軟件與CFD雙向耦合聯合仿真功能，用以下二維測試算例演示軟件與CFD聯合求解工作流程。
1、
計算模型
算例采用長寬高均為1米的二維測試盒，初始溫度為20℃，如下圖所示，左側受10W/m2的熱源，右側與邊長為1m的流體區域連接，流體區域左側受測試盒加熱，右側固定溫度為0℃，流體區域初始溫度為0℃。計算最終狀態溫度。
2、
計算條件
計算采用theseus-fe與STAR-CCM+聯合仿真，進行穩態計算。
在THESEUS-FE的GUI中進行固體區域邊界條件設置。對于與流體區域連接的一側，設置如下所示邊界條件：
在后續的聯合仿真中，流體溫度和換熱系數會根據流體計算結果不斷修正，同時，THESEUS-FE會將固體區域溫度邊界傳遞給CFD，二者不斷信息交換進行聯合計算。
3、
聯合仿真運行
采用Coupler模塊進行聯合仿真設置，THESEUS-FE將壁面溫度傳遞給CFD，同時CFD傳遞換熱系數和流體溫度，如下圖所示：
4、
聯合仿真結果
測試盒最終計算結果溫度分布及單元15溫度歷史曲線如下：
耦合仿真計算完成，使用耦合仿真技術可得到高精度的熱分析結果，應用快捷簡便。Coupler tigong了友好的用戶界面，通過圖形界面引導用戶逐步完成耦合設置，基本實現完全自動化設置。
Theseus-fe與CFD雙向耦合仿真測試.pdf
展開 THESEUS-FE與CFD雙向耦合仿真測試
THESEUS-FE Coupler模塊可實現傳熱—CFD協同仿真。不依賴于第三方軟件，Coupler可實現THESEUS-FE和CFD求解器Star-CCM+或OpenFOAM之間的雙向耦合仿真，最為精確地仿真流體對結構的對流效應和結構溫度對流動的影響。
為測試軟件與CFD雙向耦合聯合仿真功能，用以下二維測試算例演示軟件與CFD聯合求解工作流程。
1、 計算模型
算例采用長寬高均為1米的二維測試盒，初始溫度為20℃，如下圖所示，左側受10W/m2的熱源，右側與邊長為1m的流體區域連接，流體區域左側受測試盒加熱，右側固定溫度為0℃，流體區域初始溫度為0℃。計算最終狀態溫度。
2、 計算條件
計算采用theseus-fe與STAR-CCM+聯合仿真，進行穩態計算。在THESEUS-FE的GUI中進行固體區域邊界條件設置。對于與流體區域連接的一側，設置如下所示邊界條件：
在后續的聯合仿真中，流體溫度和換熱系數會根據流體計算結果不斷修正，同時，THESEUS-FE會將固體區域溫度邊界傳遞給CFD，二者不斷信息交換進行聯合計算。
3、 聯合仿真運行
采用Coupler模塊進行聯合仿真設置，THESEUS-FE將壁面溫度傳遞給CFD，同時CFD傳遞換熱系數和流體溫度，如下圖所示：
4、 聯合仿真結果
測試盒最終計算結果溫度分布及單元15溫度歷史曲線如下：
耦合仿真計算完成，使用耦合仿真技術可得到高精度的熱分析結果，應用快捷簡便。Coupler提供了友好的用戶界面，通過圖形界面引導用戶逐步完成耦合設置，基本實現完全自動化設置。
Theseus-fe與CFD雙向耦合仿真測試.pdf
展開 
CFD專欄丨HyperWorks多物理場仿真：流固耦合
背景介紹
最初的流固耦合FSI(Fluid-Solid Interaction)專指研究流體載荷對彈性結構的影響，例如飛機機翼氣動彈性問題，船舶螺旋槳的水彈性問題，核反應堆燃料棒的渦激振動問題等等。在數值仿真領域FSI概念擴展到一般性的CFD模型和FEA模型的數據交換問題。
FSI真實案例：大橋與風場組成了耦合系統，大風產生了一定頻率的卡門渦脫落，這個頻率與耦合系統中的結構固有頻率相近，使系統發生了共振，大橋劇烈晃動直至崩塌。
CFD專欄丨HyperWorks多物理場仿真：流固耦合
背景介紹
最初的流固耦合FSI(Fluid-Solid Interaction)專指研究流體載荷對彈性結構的影響，例如飛機機翼氣動彈性問題，船舶螺旋槳的水彈性問題，核反應堆燃料棒的渦激振動問題等等。在數值仿真領域FSI概念擴展到一般性的CFD模型和FEA模型的數據交換問題。
FSI真實案例：大橋與風場組成了耦合系統，大風產生了一定頻率的卡門渦脫落，這個頻率與耦合系統中的結構固有頻率相近，使系統發生了共振，大橋劇烈晃動直至崩塌。
大橋劇烈晃動直至崩塌
HyperWorks的流體求解器AcuSolve流固耦合分析分為四種情況：
分析穩態的流場壓力和溫度場對固體變形的影響，也叫 TFSI (Thermal-FSI)屬于單向耦合；
分析流體動載荷引起的固體振動現象，也叫P-FSI (Practical FSI)，屬于單向耦合；
瞬態流動引起固體大變形，并反饋給流場，也叫DC-FSI (Direct Coupling FSI)，屬于雙向耦合。
展開 本田——為什么熱管理 CFD 需要全耦合共軛傳熱仿真
如果沒有同時捕獲共軛傳熱效應的耦合 CFD 仿真，則絕對無法對發動機和排氣系統中的熱相互作用進行準確建模。
圖 5a：發動機表面溫度
圖 5b：發動機周圍的水平剖切面
如圖 6 和圖 7 所示，較大的溫差會導致強烈的輻射傳熱。要在此處實現準確的熱預測，需要將共軛傳熱與輻射模型直接耦合。
圖 6：排氣管的溫度
圖 7：排氣系統的靜態溫度和車身底部的流動結構
先進的控制和耦合 1-D、3-D CFD 仿真可實現最佳工廠性能和安全性
1-D 和 3-D CFD 模擬
CFD 仿真工具現已廣泛用于組件和系統級分析和優化，以實現最佳工廠性能和安全性。CFD 模擬可以是 1 維或 3 維，決定因素是要解決的問題。一維 CFD 仿真可深入了解一個單元中的流量和壓力變化如何影響系統或網絡的其他部分。3-D CFD 模擬用于詳細研究復雜系統組件內的流動相互作用和傳熱。了解 1-D 和 3-D 仿真工具之間的權衡至關重要，以確保針對設計含義使用正確的工具。
通過使用 CFD 仿真，電池組可以虛擬地集成到傳動系統中，從而提供不同驅動條件下操作模式的預測。整個電池組的 1-D CFD 仿真將有助于分析是否需要任何組件級仿真，即只有在流動模式或溫度存在任何變化或異常時才會執行組件級 3-D CFD 仿真系統級別的分布。對于由多個泵、閥門、分離器、蒸餾塔和混合器組成的化工廠或發電廠，對整個系統進行 3D CFD 模擬可能是一項繁瑣的任務，因此需要針對以下情況進行 1D CFD 模擬：整個系統將是適當的，并將提供關于是否需要進行詳細的組件級模擬的見解。
耦合 1-D 和 3-D CFD 仿真可以增強系統的性能，有兩種耦合方法 -手動或自動以及單向或雙向耦合。1-D 和 3D CFD 之間的手動或自動單向耦合涉及將通過 3-D 仿真獲得的所有信息傳輸到 1-D 系統級仿真，即信息傳輸是單向的。當來自 1-D 系統級仿真的信息發送到 3-D CFD 分析時，這就變成了雙向的，反之亦然。
隨著工業發電廠中新興工藝和技術的發展，在實施之前對發電廠的性能進行評估對于避免由于單元/子系統故障或不良流動條件而導致的任何火災或爆炸至關重要。CFD 仿真（1 維或 3 維）可以幫助在執行之前預測可能的設計缺陷；先進的控制和校準單元可以實現各種流程的自動化，以確保最佳的工廠性能和最大的安全性。
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