EDEM软件介绍

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1、 基于离散元方法的基于离散元方法的 EDEM 软件介绍软件介绍 2012 年 09 月 1 离散元方法简介离散元方法简介 传统的力学研究都是建立在连续性介质假设的基础上的，即认为研究对象是 由相互连接没有间隙的大量微团构成。 然而， 这种假设在有些领域并不适用， 如： 岩土力学。1971 年，CUNDALL 提出的一种处理非连续介质问题的数值模拟方法， 离散元方法（Discrete Element Method，简称 DEM） ，理论基础是结合不同本构关 系（应力-应变关系）的牛顿第二定律。随后，这种方法被越来越广泛的应用于 涉及颗粒系统地各个领域。通过求解系统中每个颗粒的运动学和动力学方程（

2、碰 撞力及场力） ，不断地更新位置和速度信息，从而描述颗粒系统行为。 EDEM 软件介绍软件介绍 EDEM 主要由三部分组成：Creator、Simulator 和 Analyst。Creator 是前处理 工具，完成几何结构导入和颗粒模型建立等工作；Simulator 是求解器，用于模 拟颗粒体系的运动过程；Analyst 是后处理工具，对计算结果进行各种处理。 图 1.1 EDEM 结构框架及功能 CreatorEDEM 的前处理工具的前处理工具 EDEM 的前处理工具 Creator 主要完成建模工作，包括：材料参数设置，确 定颗粒形状、颗粒产生方法、几何设备导入及运动特性描述等。 2

3、Creator 的颗粒几何形状建模的颗粒几何形状建模 现实世界中，颗粒状物质形状各异、千差万别，而形状对颗粒体系的运动情 况又有着重要的影响。 EDEM的前处理工具可以精确描述颗粒的几何外形， Creator 通过球面填充技术，将颗粒的表面用若干球面的组合表征，不仅能体现颗粒的非 球形特征，又可以使颗粒的接触满足球面接触的物理模型。 图 1.2 颗粒建模界面 图 1.3 采用球面填充方法表征颗粒形状 3 图 1.4 各种形状的颗粒 颗粒工厂技术颗粒工厂技术 EDEM 特有的颗粒工厂技术（Particle Factory TM） ，可以根据用户需要，设置 颗粒的初始位置、生成速率、颗粒种类、粒径

4、分布等。 图 1.5 按正态分布生成的颗粒 4 图 1.6 指定颗粒生成的位置（红色区域） EDEM 的材料数据库的材料数据库 EDEM 的材料数据库允许客户将所关注领域内的各种材料整理成库，在每次 建模仿真时，直接从库里导出，不仅减少了用户建模时查找数据的繁琐工作，实 现了相关数据的管理和积累。此外，EDEM 也内置了一些材料的特性参数供用户 参考。 图 1.7 Creator 中的材料库 丰富的接触模型丰富的接触模型 接触模型是离散单元法的重要基础，其实质就是拟静态下颗粒固体的接触力 学弹塑性分析结果。接触模型的分析计算直接决定了粒子所受的力和力矩的大 小。需要指出，尽管接触关系是非线性的

5、，仍近似采用叠加原理。离散元法的接 触模型有多种， 接触力的计算方法也各不相同， 但是整体计算的原理都是相同的。 EDEM 中内置的接触模型列举如下： Hertz-Mindlin (no slip) 基本接触模型，计算颗粒接触时的基本作用力； 5 Hertz-Mindlin with Bonding在 Hertz-Mindlin (no slip)的基础上，考虑了颗 粒内聚力的影响； Hertz-Mindlin with Heat Conduction在 Hertz-Mindlin (no slip)的基础上，计 算颗粒接触后的热量传递情况； Linear Cohesion描述颗粒结块，粘结的

6、物理模型； Linear Spring基本接触模型，计算颗粒接触是的基本作用力； Moving Plane颗粒与运动平面间接触过程的物理模型； Tribocharging带电颗粒相互作用的物理模型； 激励的施加激励的施加 EDEM 可以施加各种不同的复杂激励，如： 1） 连续运动（平动、转动及复合运动） 2） 间歇性运动激励（振动） EDEM 的几何文件接口的几何文件接口 EDEM 支持多种格式的几何文件。通过几何文件，用户可以将其他 CAD 软件 建立的机械设备几何模型导入 EDEM，减少了重复建模和对模型的修整，提高建 模效率。目前，EDEM 所支持的几何文件格式如下表所示。 图 1.8

7、导入几何模型 文件扩展名 类型 应用软件源 .igs .iges 几何文件 IGES 6 .msh 几何文件 Fluent Mesh .stl 几何文件 STL .stp .step 几何文件 STEP 表 1.1 EDEM 支持的标准文件类型 EDEM 先进的求解技术先进的求解技术 利用 DEM 求解器 Simulator 进行模拟，可以快速、有效地监测离散颗粒间 的碰撞；能够选用动态时间步长；软件既可以在单个处理器上运行，也支持多处 理器并行计算；可以通过模型参数的可视化图表来分析模拟结果，从而快速地识 别趋向和修正结果。 图 1.9 Simulator 界面 EDEM 利用离散单元法进行

8、计算，其基本思想是把介质看作由一系列离散的 独立运动的单元（粒子）所组成，单元的尺寸是细观的，利用牛顿第二定律建立 每个单元的运动方程，并用显示中心差分法求解，整个介质的变形和演化由各单 元的运动和相互位置来描述。在解决连续介质力学问题时，除了边界条件以外， 还有 3 个方程必须满足，即本构方程、平衡方程和变形协调方程。进行离散元数 值计算时，往往通过循环计算的方式，跟踪计算材料颗粒的移动状况。其内部计 算关系如图 1.10 所示。 7 图 1.10 计算流程示意图 每一次循环包括两个主要的计算步骤：(1)由作用力、反作用力原理和相邻颗 粒间的接触本构关系确定颗粒间的接触作用力和相对位移；(2

9、)由牛顿第二定律 确定由离散单元法及其在 EDEM 上的实践相对位移在相邻颗粒间产生的新的不 平衡力，直至要求的循环次数或颗粒移动趋于稳定或颗粒受力趋于平衡。并且计 算过程按照时步迭代遍历整个颗粒体，计算时间的长度可以根据需要自行设定。 EDEM 并行计算能力并行计算能力 对于某些特定的问题，DEM 模拟可能会所需要很大的计算量，单处理器计 算往往难于满足仿真的要求。 EDEM的并行计算模块是分析该类问题的有力工具。 图 1.11 给出 Processor 数目对计算速度的影响， 能够知道随着处理器数目的增加， 计算速度近似线性增长。该测试是在 2x Quad-core 3.2 GHz Int

10、el Xeon 、8GB 内存 和 Windows XP Professional x64 Edition (SP2)操作系统上进行的。 8 图 1.11 Processor 个数变化对计算速度影响 AnalystEDEM 强大的后处理工具强大的后处理工具 后处理模块 （Analyst） 提供了对仿真结果进行分析和判断的非常丰富的工具。 可以用动画方式显示仿真过程，用图表显示仿真结果，创建动画文件并可输出结 果数据到其他处理程序中。 图 1.12 3D 动画显示 图 1.13 剖面显示 9 图 1.14 各种类型的统计图表 （a）原型显示粒子 （b）向量显示粒子 （c）流方式显示粒子 （d）球

11、锥方式显示粒子 图 1.15 不同类型的粒子显示方式 EDEM 软件的软件的 LICENSE 管理及运行平台管理及运行平台 EDEM 具有先进 license 管理和软件配置机制，可以最大限度利用现有的 license 资源，避免不必要的 license 资源浪费。FLUENT 软件的 license 管理机制和 运行平台具有以下优势： 1) EDEM 的 license 可以在支持 TCP/IP 协议的局域网环境浮动，license 服务 可以安装在 WINDOWS、LINUX 平台。 2) 所支持的操作系统： Windows XP Service Pack 3 32bit (微软 XP 3

12、2 位操作系统) 10 Windows XP Service Pack 2 64bit (微软 XP 64 位操作系统) Redhat Enterprise Linux Workstation 5 64bit (红帽企业版 Linux 第 5 版) 11 流体颗粒系统数值模拟的流体颗粒系统数值模拟的 FLUENTEDEM 解决解决方案方案 北京海基北京海基嘉盛科技有限公司嘉盛科技有限公司 20201212 年年 1010 月月 0808 日日 12 一、概述一、概述 绝大多数固态物质的个体是以颗粒状的外形存在的，即：有特定的尺寸和形 状，与外界有有限的边界。自然界中的矿石，种子，沙粒，工业产品

13、中的药片、 糖果等都是典型的颗粒。通常，无论是在自然界，还是人类生产实践中，都会涉 及到了流体与颗粒相互作用（包括：质量交换、动量交换和能量交换等） 。如： 沙尘暴，水土流失，农作物的干燥，工业上使用的各种流化床，旋流分离器以及 气力输运设备等。研究这种相互作用，对人们的生产生活有着重要意义：不仅为 提高生产力，更能为改善人类的生存环境提供指导依据。 我们将涉及流体流动换热和颗粒运动的体系称为“流体-颗粒系统” 。该类系 统的研究难点在于： 1） 流体本身就具有形态不固定，变化无常，难于观察和测量的特点； 2） 大量颗粒进行相互碰撞：不同时刻和位置，每个颗粒的运动、受力情况 都有所不同； 3）

14、 流体与颗粒相互影响，形成强烈的耦合作用，更加大了系统的复杂度。 在以往的研究中，实验研究占很大的比重，主要通过测定或统计的方法来获 取系统的宏观指标。另一些则是通过模型简化，进行机理性的研究。随着计算机 技术和数值算法的发展， 越来越多的科学家和研究人员投入到数值仿真的研究中 来，FEA（有限元分析）方法和 CFD（计算流体力学）技术成为应用力学中发展 最为迅速、活跃的分支。针对流体-颗粒系统的数值模拟研究，主要采用基于 CFD 方法的多相流技术和 CFD-DEM 耦合方法。 二、气固（液固）两相流技术发展状况二、气固（液固）两相流技术发展状况 在研究初期，由于没有很好的描述颗粒系统的计算模

15、型，人们更倾向于以研 究流体为切入点 （研究该类系统的科学家和研究人员通常是流体力学专业出身） ， 将系统中大量的颗粒假设为一种准流体颗粒流，从而产生了气固（液固）两 相流技术。 气固两相物质所组成的流动系统称为气固两相流系， 其中气相通常以连续相 形式出现，固相以颗粒或团块的形式处于气相中。 气固两相流的流动形态有多种。除了同单相流动那样区分为层流和湍流外， 还可以依据两相相对含量（常称为相比） 、相界面的分布特性、运动速度、流场 几何条件划分流动形态。因此气固两相流研究的首要课题是判断流动形态，并进 而分析分散相在连续相中的运动规律及其影响，尤其是对设备的性能影响，包括 摩擦阻力、振动和稳定性等。 气固两相流的理论分析比单相流困难得多， 描述两相流的通用微分方程组至 今尚未建立。大量理论工作主要采用以下两类简化模型： 均相模型。将两相介质看成是一种混合得非常均匀的混合物，假定处理 单相流动的概念和方法仍然适用于两相流，但需对它的物理性质及传递 性质作合理的假定； 13 分相模型。认为单相流的概念和方法可分别用于两相系统的各个相，同 时考虑两相之间的相互作用。 在气固两相流动研究中，两相间的相互作用是控制流体流动的主要因素， 该 相互作用主要体现为两相间受力的关系，诸如气固曳力、M