顆粒分離的案例
基于Ansys Fluent 的顆粒分離/過濾解決方案
過濾是指通過特殊裝置將顆粒移除，將流體提純凈化的過程。過濾的方式很多，應用的物系也很廣泛，固-液、固-氣、大顆粒-小顆粒等。本文主要講述如何通過Fluent軟件實現在設備工作場景中的顆粒分離/過濾。
目錄
1. Eulerian method（瞬態(tài)方法）
2. DPM
3. DDPM
1. Eulerian method（瞬態(tài)方法）
此方法適用于高負載(顆粒體積含率較高)的情況。
? 固定速度:多孔介質中第二相(次要相)顆粒速度設置為0
? 多孔介質/膜外面的顆粒將會堆積
? 堆積的顆粒造成的壓降通過顆粒與流體之間的曳力描述
假設所有的顆粒都被捕捉，將多孔介質中的顆粒速度約束為0，從而阻止顆粒通過多孔介質。
2.DPM
方法:一系列的穩(wěn)態(tài)仿真結果(也可應用于非穩(wěn)態(tài)計算)
(1) 通過UDsF獲得顆粒在膜上的沉積；
(2)基于顆粒在膜上的沉積分布，根據沉積量調整阻力；
假設在膜兩側施加定常壓力，每次釋放的顆粒，都將沉積到過濾層。注意:沉積發(fā)生在尖端和凹槽處。
隨著沉積物的積累，流量將會將會輕微的發(fā)生變化。
Deposit vs. Mass Flow Rate (kg/s)
1. 0.0089773936
2. 0.0086228549
3. 0.0075318487
4. 0.0070381071
顆粒沉積在過濾膜上的相關UDFs
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展開 基于離散元仿真軟件DEMms的雙錐水力旋流器-顆粒分離性能分析
在多相流顆粒分離研究領域，精確模擬顆粒運動行為一直是技術攻關的核心難題。兩段錐形水力旋流器作為關鍵分離設備，其底流管直徑與入口速度對分離性能的影響機制復雜，亟需高精度模擬技術予以揭示?；诖?，團隊創(chuàng)新開發(fā)氣-液-固三相湍流模擬方法（VOF - RSM - DEM），其中自主研發(fā)的 DEMms 軟件，憑借獨特的算法架構與模擬能力，成為攻克該難題的核心技術支撐。
創(chuàng)新算法架構，實現顆粒運動精準建模
DEMms 軟件基于離散元法構建核心算法體系，深度融合牛頓第二定律與歐拉第二運動定律，為顆粒的平移與旋轉運動提供精確的動力學描述。在顆粒與流體、顆粒與顆粒及壁面的交互過程中，軟件通過多物理場耦合算法，實現對曳力、升力、碰撞力等復雜作用力的實時計算。
值得一提的是，軟件引入的隨機跟蹤模型，采用拉格朗日隨機軌道理論，能夠準確捕捉瞬時湍流速度脈動對顆粒軌跡的影響，使模擬結果與實際工況的吻合度大幅提升。通過這種精細化的算法設計，DEMms 軟件成功將顆粒運動模擬精度提升至新高度。
嚴謹驗證流程，確保模擬結果可靠性
為驗證 DEMms 軟件在三相湍流模擬體系中的有效性，研究團隊開展了系統(tǒng)性驗證工作。
以標準旋流器為研究對象，通過網格無關性驗證，確定了最優(yōu)網格劃分方案，有效避免因網格誤差導致的模擬偏差。在與實驗數據的對比中，軟件模擬的切向速度、軸向速度與實際測量值呈現高度一致性，壓降和液體分流比的相對誤差控制在工程可接受范圍內，分離效率曲線的擬合度也達到理想水平。
這種從算法設計到模擬驗證的全流程技術把控，充分證明了 DEMms 軟件在水力旋流器流體動力學行為及分離性能模擬方面的可靠性與準確性。
深度應用剖析，挖掘分離性能關鍵規(guī)律
依托 DEMms 軟件構建的高精度模擬體系，研究人員對兩段錐形水力旋流器展開深入研究。
展開 電場可以控制中性粒子的運動嗎？
流體流動的顆粒追蹤接口中不同的粒子力選項。
顆粒的介電泳分離
用于智能手機的醫(yī)療分析和診斷類應用將快速增長。我們可以想象，在未來智能手機能與一個可以采樣和分析血液的硬件結合起來使用。
假設這樣一個案例，對其進行分析可以分為三個步驟：
使用直接連接到智能手機的硬件提取血液，并計算平均血小板和紅細胞直徑。
計算紅細胞和血小板的分離效率。這種效率需要很高，以便對分離的紅細胞進行進一步診斷。
使用計算出的最佳分離條件，用連接到智能手機上的硬件分離紅細胞。
COMSOL Multiphysics 仿真 App 的重點是上述整個分析過程的第 2 步。通過利用血小板是血液中最小的細胞，并且具有與紅細胞不同的介電常數和電導率這一事實，可以使用介電泳進行基于尺寸的血液分離；換句話說，就是可以將紅細胞與血小板分離。
紅細胞是最常見的血細胞類型，也是脊椎動物機體通過循環(huán)系統(tǒng)的血流向身體組織輸送氧氣的主要手段。血小板，也稱為凝血細胞，是具有止血功能的血細胞。
我們使用 App 開發(fā)器，創(chuàng)建了一個仿真 App，該 App 使用流體流動顆粒追蹤 接口中提供的介電泳力 功能演示了血小板與紅細胞（RBC）的連續(xù)分離。(創(chuàng)建該仿真 App 還需要以下其中一種模塊：
CFD 模塊
、
微流體模塊
或
地下水流模塊
以及
MEMS 模塊
或
AC/DC 模塊
。)
該仿真 App 是基于 N.
展開 如何在Maxwell中將邊界條件和幾何一起復制？
● 也可參見 Maxwell 在線幫助:
Assigning Boundaries and Excitations for 3D/2D Designs > Modifying Boundary Conditions and Excitations > Duplicating Boundaries and Excitations
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展開 
【5/18更新】沙漠中清潔光伏板，不用水非接觸式自動清潔，怎么做到的？
在MIT的新系統(tǒng)中，一種基于靜電斥力的方式被使用，通過靜電斥力可以使灰塵顆粒分離并從面板表面飛出，進而無需使用水或者刷子。通過在太陽能電池板上布置一種簡單的電極，同時利用電動機和導軌讓電極在電池板上運動，即可實現上述目的。具體操作如下圖所示。
使用時，給光伏組件充上靜電，靜電會傳導給沙塵顆粒，從而使沙塵也帶上同種電荷。根據靜電同性相斥的原理，就能把沙塵排斥開。
MIT 工學院研究生 Sreedath Panat 和機械工程教授 Kripa Varanasi 指出：實驗室測試結果表明，面板能量輸出會在灰塵積聚的一開始就出現急劇下滑，然后在持續(xù)一個月的情況下銳減 30% 。
以 150 兆瓦的光伏發(fā)電設施為例，即使功率降低 1%，也會導致約20萬美元的年損失。若推廣至全球范圍、以及 3~4% 的功率損失，經濟效益將暴降 33~55 億美元。
研究配圖 - 3：電荷預估實驗
只要專注解決問題，就能想到很多雖然簡單，卻很有效的科技手段。這就是科研使人快樂有成就感的原因。
- End -
公眾號原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/jHrMnNIhdm5e2yXLgJ8nWw
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兩相流及幾種模型介紹~
兩相流：通常把含有大量固體或液體顆粒的氣體或液體流動稱為兩相流；其中含有多種尺寸組顆粒群為一個“相”，氣體或液體為另一“相”，由此就有氣—液，氣—固，液—固等兩相流之分。
兩相流的研究：對兩相流的研究有兩種不同的觀點：一是把流體作為連續(xù)介質，而把顆粒群作為離散體系；而另一是除了把流體作為連續(xù)介質外，還把顆粒群當作擬連續(xù)介質或擬流體。
引入兩種坐標系：即拉格朗日坐標和歐拉坐標，以變形前的初始坐標為自變量稱為拉格朗日Langrangian 坐標或物質坐標；以變形后瞬時坐標為自變量稱為歐拉Eulerian 坐標或空間坐標。
離散相模型
FLUENT在求解連續(xù)相的輸運方程的同時，在拉格朗日坐標下模擬流場中離散相的第二相；
? 離散相模型解決的問題：煤粉燃燒、顆粒分離、噴霧干燥、液體燃料的燃燒等；
? 應用范圍：FLUENT中的離散相模型假定第二相體積分數一般說來要小于10-12%（但顆粒質量承載率可以大于10-12%，即可模擬離散相質量流率等/大于連續(xù)相的流動）；不適用于模擬在連續(xù)相中無限期懸浮的顆粒流問題，包括：攪拌釜、流化床等；
? 顆粒-顆粒之間的相互作用、顆粒體積分數對連續(xù)相的影響未考慮；
? 湍流中顆粒處理的兩種模型：Stochastic Tracking，應用隨機方法來考慮瞬時湍流速度對顆粒軌道的影響；Cloud Tracking，運用統(tǒng)計方法來跟蹤顆粒圍繞某一平均軌道的湍流擴散。
展開 【產品】智能熱流體仿真軟件AICFD 2026R1發(fā)布
DPM模型及VOF優(yōu)化：支持拉格朗日顆粒軌跡計算，可模擬噴霧、顆粒分離、氣力輸送等工程問題。新增HRIC高分辨率界面捕捉格式，優(yōu)化離散格式穩(wěn)定性，大幅提升自由液面、晃蕩、射流破碎等問題的界面分辨率與計算魯棒性。
通量格式與數值方法：新增Roe、AUSM+等高級通量格式，適用于可壓縮高速流動；優(yōu)化對流項、擴散項離散格式，瞬態(tài)時間推進算法進一步增強；提供動量預測、旋轉機械高級限制等專家選項，滿足資深用戶的精細化調試需求。
新增交界面模型：多孔階躍交界面模型、域內風扇交界面模型，無需精細建模即可快速模擬多孔介質、風扇等部件的宏觀效應。
5、后處理升級
幀選擇器與多模式動畫：支持按時間步、物理時間切換后處理結果；新增穩(wěn)態(tài)動畫、瞬態(tài)動畫、AI網格歷程動畫、DPM粒子動畫四種模式，提供播放控制與視頻、動態(tài)圖導出功能。
數據導出增強：流場數據支持輸出為Tecplot可讀的.dat格式；流線軌跡及沿程物理量數據可導出；統(tǒng)計報告支持自定義內容導出。
6、界面交互升級
全新菜單布局：圖標系統(tǒng)全面更新，整體配色與視覺風格更加現代；方案樹節(jié)點支持折疊/展開，信息層級清晰。
智能助手深度集成：智能問答算法更新，新增軟件語言自適應功能，優(yōu)化中文路徑支持，提升國內用戶使用體驗。
格式支持擴展：網格導入新增ANSYS Fluent (.cas)、Numeca (.msh)；導出支持.msh、.cgns等通用格式。
批量處理能力：優(yōu)化多網格文件導入流程，改進網格合并與管理功能，提升大規(guī)模仿真任務處理效率。
其余功能更新，歡迎試用：
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展開 液壓泵吸油過濾器的負面作用（轉自液壓傳動與控制）
理論上，沒有高速流體干擾受困顆粒，也沒有濾芯所受的高壓降促使顆粒分離，從而提高了過濾效率。但是，這些優(yōu)點可能會被濾芯在進油管路中產生的限流以及對泵壽命的負面影響所抵消。
泵的入口過濾器或吸濾器通常采用150微米（100目）的過濾器形式，該過濾器擰在油箱內部的泵吸油口上。由吸濾器引起的節(jié)流效果在低流體溫度（高粘度）下增加，并且隨著濾芯的堵塞而增加，從而增加了在泵入口處產生部分真空的機會。泵入口處的真空度過高可能會導致氣蝕和機械損壞。
氣蝕
當在泵的進油管路中出現局部真空時，絕對壓力的下降會導致流體中形成氣體和/或氣泡。當這些氣泡在泵出口處高壓下狀態(tài)時，它們會劇烈破裂。有數據表明，當爆破壓力大于10000 bar，如果發(fā)生空氣/油混合物燃燒，則溫度可能高達1100 o。當氣泡在靠近金屬表面的位置破裂時，會發(fā)生腐蝕（圖1）。
圖1.氣蝕侵蝕發(fā)生在硬化表面
氣蝕腐蝕會損壞關鍵部件表面并導致磨損顆粒污染液壓油。慢性氣蝕會導致嚴重腐蝕并導致泵故障。
機械損傷
當在泵的入口處出現局部真空時，由真空本身引起的機械力會導致災難性故障。在軸向柱塞泵的容腔中產生真空，使活塞頭部和滑靴處于張緊狀態(tài)。該球頭的設計不能承受過大的張力，因此，滑靴會從活塞上脫落（圖2）。
圖2. 泵入口處真空度過高，活塞與滑靴分離的結果
如果真空產生的張力足夠大，這種情況可能立即發(fā)生，也可能在使用多個小時后發(fā)生。
活塞保持板的主要功能是使活塞滑靴與斜盤保持接觸，該活塞保持板必須抵抗將活塞與滑靴分離的作用力。這種由真空引起的負載會加速滑靴和固定板之間的磨損，并可能導致固定板彎曲。這允許滑靴在入口期間與旋轉斜盤失去接觸，然后在出油口，當加壓流體作用在活塞的末端時，將其錘擊回斜盤。撞擊會損壞活塞滑靴和旋轉斜盤，從而迅速導致災難性故障。
展開 流化床反應器內部結構、特點和應用全都告訴你
蛇管式換熱器
橫排管束換熱器
氣固分離裝置
流化過程中，小顆粒總不免被流體帶到反應器的上部或者外面，尤其在氣速較大的操作下。為了回收這部分顆粒，在流化床中心必須有氣固分離裝置。
氣固分離裝置主要有：
（1）旋風分離，通過依靠離心力作用是氣流中的氣體和固體顆粒分離。
（2）在反應器上部連接一個擴大段，使氣速降低，部分顆粒自由沉降分離，安裝一些使氣流或固體顆粒改變流動方向的折流擋板或者其他快速分離裝置。
其中錐底一般錐角為90°或60°。作用是對進入氣體起預分布作用、卸催化劑。
展開 破解攪拌釜仿真難點：VirtualFlow應用案例及技術優(yōu)勢
攪拌釜內懸浮顆粒分析：CFD可以模擬攪拌釜中懸浮顆粒的運動軌跡、沉降速度和分布等屬性。這對于懸浮顆粒的沉降速度和顆粒分離等工藝有重要的應用價值。
流體-結構耦合分析：對于某些要求更全面的攪拌釜仿真，可以進行流體-結構耦合分析。這種分析可以考慮攪拌器的運動對流體流動的影響，同時也可以考慮流體對攪拌器的力學反作用。
CFD技術提供了一種有效的工具，可以在攪拌釜設計和操作的各個方面進行優(yōu)化。通過CFD仿真，可以更好地理解攪拌釜內的流體和固體物料的運動行為，從而提高攪拌過程的效率和可控性。
計算機力學在攪拌釜仿真中的難點
CFD在攪拌釜仿真中的應用是一個高度專業(yè)化的領域，在進行攪拌釜仿真時，存在如下一些難點：
復雜流動特性：攪拌釜內的流動通常是復雜的，包括湍流、多相流、旋轉流動等。這些流動特性使得精確模擬變得困難。
攪拌槳形狀與運動：攪拌槳的形狀通常不規(guī)則，且其運動是旋轉或往復的，這增加了仿真的復雜性。必須準確地模擬槳葉與流體之間的相互作用。
邊界條件和初始條件的設置：邊界條件和初始條件的設置：CFD仿真需要準確的邊界條件和初始條件，如入口速度、溫度、攪拌槳的轉速和初始相分布等。這些條件對仿真結果的準確性有很大影響。
網絡劃分：網格劃分是CFD仿真的重要步驟，它影響到計算的精度和效率。在攪拌釜仿真中，由于流動特性的復雜性，需要精細的網格來捕捉流動細節(jié)，但這會增加計算成本。
模型驗證和實驗數據：為了驗證CFD模型的準確性，通常需要與實驗數據進行比較。然而，獲取高質量的實驗數據可能是一項挑戰(zhàn)。
化學反應的模擬：在許多應用中，攪拌釜內的流體可能發(fā)生化學反應。模擬這些反應的動力學和熱效應是另一個難點。
為了克服這些難點，工程師和研究人員通常需要具備深厚的流體力學背景，以及熟練的CFD軟件操作技能。
展開 
【廢水處理新技術】磁分離技術
就目前而言，作為廢水處理的一個研究熱點——強磁分離法來處理廢水是很有效。那么，什么是磁分離法？它的原理是怎樣的？它能夠凈化廢水到何種程度？
所謂的磁分離就是根據不同物質具有不同的磁性性質（物質的磁性可分為三種：鐵磁性、順磁性和反磁性，其中鐵磁性物質可以作為磁種添加到弱磁性的廢水中進行磁分離），當廢水中的磁性物質或者非磁性物質（需要添加磁種）處于磁場中時，物質必然會受到來自磁場的作用力，當然，廢水中的懸浮不僅受磁場力，還受到重力、流體黏滯力、流體慣性力以及分子間的吸引力，只要我們所施加的磁場足夠大，就可以使得廢水中的懸浮顆粒進行磁分離。
而磁分離的方法又可以采用永磁分離和電磁分離（包含超導磁分離）。磁力大小的公式為Fu=γVH(dH/dx)，其中，γ為顆粒本身磁化率，V為顆粒體積，H為磁場強度，dH/dx為磁場強度梯度。從實際應用中來考慮，如果我們單純的用永磁體增加磁場強度，的確可以增加磁場力的大小，但是這樣所制造的磁鐵太耗成本。因此大多采用磁梯度分離法，即只需要增加磁場強度的梯度，就可以達到增強磁場力的效果。值得一提的是，要想產生高強度的磁場，用一般的永磁鐵，很難實現，可以采用超導體來實現，理論上處于臨界溫度以下的超導體所產生的磁場強度可以達到10T以上，可以在無需添加磁種的情況下就能輕松實現磁分離。一般的梯度磁分離可分離微細顆粒（線度1um）和弱磁性微粒（磁化率低到10-6），那么，超導梯度磁分離的范圍和精度將比此更廣，更精確。
無疑，磁分離技術在廢水處理中不僅高效環(huán)保，而且造價和維護成本低，作為一般的磁分離的加強版——超導磁分離技術將大大提升常導磁分離的性能。我們有理由相信，隨著科學家對磁體、污染物的分離程度的機制等方面的不斷研究，磁分離技術將被應用到尋常百姓家中。
展開 詳解污水處理中各種沉淀工藝
礬花慢速地從預沉池進入到澄清池，這樣可避免礬花破碎，并產生渦旋，使大量的懸浮固體顆粒在該區(qū)均勻沉積。
礬花在澄清池下部匯集成污泥并濃縮。濃縮區(qū)分為兩層：上層為再循環(huán)污泥的濃縮，下層是產生大量濃縮污泥的地方。逆流式斜管沉淀區(qū)將剩余的礬花沉淀。通過固定在清水收集槽進行水力分布，斜管將提高水流均勻分配。清水由一個集水槽系統(tǒng)收回。絮凝物堆積在澄清池下部，形成的污泥也在這部分區(qū)域濃縮。
該沉淀池有以下幾方面的優(yōu)點：
1.將混合區(qū)、絮凝區(qū)與沉淀池分離，采用矩形結構，簡化池型；
2.沉淀分離區(qū)下部設污泥濃縮區(qū)，占地少；
3.在濃縮區(qū)和混合部分之間設污泥外部循環(huán)，部分濃縮污泥由泵回流到機械混合池，與原水、混凝劑充分混合，通過機械絮凝形成高濃度混合絮凝體，然后進入沉淀區(qū)分離。
4新型中置式高密度沉淀池
新型中置式高密度沉淀池是上海市政工程研究總院設計的新池型，該工藝過程集中了斜管沉淀池、機械攪拌澄清池和高密度沉淀池的優(yōu)點，將混合、絮凝、沉淀、污泥濃縮綜合于一體。中置式高密度沉淀池設有5個過程區(qū)：混合區(qū)、絮凝反應區(qū)、分離沉淀區(qū)、濃縮排泥區(qū)和分離出水區(qū)。
展開 DMC型高效脈沖袋式除塵器安裝及維護?
工作原理如下：含塵氣體由進風煙道各入口閥進入各單元箱體，在箱體導流系統(tǒng)的引導下，大顆粒粉塵分離后直接落入灰斗、其余粉塵隨氣流進入中箱體過濾區(qū)，過濾后的潔凈氣體透過濾袋，經上箱體、提升閥、出風煙道排出除塵器，經過風機和煙囪直接排放到大氣中。隨著過濾工況的進行，當濾袋表面積塵達到一定量時，由清灰控制裝置按設定程序，控制當前單元離線，并打開電磁脈沖閥噴吹，抖落濾袋上的粉塵。落入灰斗中的粉塵經由倉泵進入氣力輸灰系統(tǒng)。
結構特點如下：?本脈沖除塵器為外濾式除塵器，即含塵氣體在濾袋外，潔凈空氣在濾袋內，袋口向上。清灰功能利用差壓或定時、手動功能控制在線清灰倉室，啟動脈沖噴吹閥噴吹，使濾袋徑向變形，抖落灰塵。
l、陳塵器安裝應按設計圖紙和國家有關安裝規(guī)范要求進行。?
2、除塵器各法蘭連接件,包括壓縮空氣管道應在清掃干凈后，在螺孔內側和外側嵌入密封墊，再上螺栓擰緊，以防漏風。
3、濾袋的搬運和停放要特別注意，防止濾袋與周圍硬物、尖銳物接觸、碰撞，禁止腳踩、重壓，以防破損。
4、特別強調：脈沖閥在安裝前螺紋要進行潤滑，脈沖閥安裝后“鎖緊螺母”要擰緊。
5、氣路安裝：所有氣管螺紋要用生料帶密封連接，連接緊密，以防漏氣，與除塵器連接處要安裝活節(jié)口
6、脈沖閥的安裝：安裝好脈沖閥是本除塵器的關鍵，在安裝此類部件時，安裝工人要詳細閱讀《電磁脈沖閥》說明書，以保證正確安裝。
7、濾袋上口安裝要卡緊花板口，以防脫落和漏氣。?
8、噴吹管的安裝：噴咴管安裝前，所有連接管件螺紋要進行潤滑，噴吹管噴口要對準濾袋中心，嚴禁歪斜，并擰緊管件螺母。?
9、各檢查門關閉嚴密，不允許留有縫隙，以防漏風。?
10、在設備安裝完畢后，應將袋室、灰斗等部件內的雜物清除干凈，檢查各傳動零部件是否靈活，并注入相應的潤滑脂。檢查各濾袋是否完好，檢修門是否嚴密，如不嚴密，須整形或更換密封填料。?
展開 Adv. Energy Mater.: 應用于鋅-空電池中的一種新型高效的陰極催化劑
雙功能FeNx / C催化劑是通過簡單的熱解程序，在不同溫度和前驅物比例的條件下成功合成的，其中α-Fe2O3納米片被用作Fe前驅體和模板以防止碳片聚集，并且瓊脂糖在熱解期間保持Fe基顆粒的有效分離。此外，在空氣電池中作為陰極催化劑的FeNx / C-700-20與商用Pt / C催化劑相比具有更高的充放電穩(wěn)定性和功率密度，在可再生能源裝置的應用中顯示出巨大的潛力。
感謝本文第一作者韓三燦老師對本文的支持與斧正！
文獻鏈接：Novel Route to Fe-Based Cathode as an Efficient Bifunctional Catalysts for Rechargeable Zn-Air Battery（Adv. Energy Mater., 2018, doi.org/10.1002/aenm.201800955）
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