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1、 流体颗粒系统数值模拟的流体颗粒系统数值模拟的 FLUENTEDEM 解决方案解决方案 北京海基科技发展有限公司 北京海基科技发展有限公司 2009 年 6 月 24 日 2009 年 6 月 24 日 一、概述、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
2、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. 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
3、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
4、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 1 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
5、对它的物理性质及传递 性质作合理的假定； ? 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、 Magnus 升力、 Saffman 力、Basset 力等等。因此，对这些受力的准确描述才能够有效地提高数值预报的 准确度。目前，对这些作用力的研究主要采用实验研究与理论分析的形式进行。 但实验方法测量颗粒的受力需要有较高分辨率的测量仪器才可能测准颗粒所受 到的较小的作用力。随着计算力学的发展，数值计算方法可以在一定范围内替代 现有的实
6、验测量，以颗粒受力问题为例，通过计算不同工况条件下的流体绕颗粒 流动问题，就可以通过积分颗粒表面的粘性力与压力获得颗粒的受力情况。 目前，主流的商业 CFD 软件都包含气固（液固）两相流模型，用以分析流体 颗粒系统。如：Fluent，CFX 等。 三、三、CFD-DEM 耦合方法耦合方法 气固两相流模型本质上是将流体颗粒系统假设为相互掺混的两种流体组 成的系统，通过每种流体的浓度变化及分布特性来描述系统，揭示规律。这在研 究初期，人们对该类系统知之甚少的情况下，起到了一定的积极作用。但由于该 模型本身的局限性，它不能表征颗粒级别上的各种属性，如：颗粒的形状，粒径 分布，相互碰撞，运动轨迹等。而
7、且，当颗粒浓度大到某一值时， （固体体积分 数为 60%，多相流中称为“密相” ） ，基于多相流模型的计算结果也不甚理想。随 着研究的深入，人们需要一种新的计算模型，对流体颗粒系统进行更全面的模 拟，CFD-DEM 耦合方法应运而生。 3.1 DEM 简介简介 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： 2 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
8、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受力（碰撞力及场力） ， 不断地更新位置和速度信息，从而描述整个颗粒系统。 CFD-DEM 耦合方法的基本思路是：通过 CFD 技术求解流场，使用 DEM 方 法计算颗粒系统的运动受力情况，二者以一定的模型进行质量、动量和能量等的 传递，实现耦合。 该方法的优势在于，无论流体还是颗粒，都可以采用更适合自身特点的数值 方法进行模拟，将颗粒的形状、材料属性、粒径分布等都考虑进来，更准确地描 述颗粒的运动情况及其与流场的相互影响。 3.2 EDEM 软件介绍软件介绍 EDE
9、M 是世界上第一个基于最先进的离散元方法 （DEMDiscrete Element Method） ，专门用来模拟、分析颗粒系统的通用 CAE 软件。 通过 EDEM 的 Creater（前处理模块）可以快速、简便的为散货颗粒进行参 数化建模：设置颗粒的形状、数量、粒径分布，并为颗粒添加力学特性及相关材 料属性。建立或导入机械设备的几何结构（与通用 CAD 软件兼容），并设置设 备的运动特性。独特的 Particle Factory（颗粒工厂）技术使客户可以根据自己的 要求成生颗粒（包括颗粒产生的位置、速率等）。 图 1 Creator 的操作截面 3 图 2 各种形状的颗粒 Simulato
10、r（求解器）基于先进的离散元方法，结合了经典的碰撞模型，在 拉格朗日框架下，离散求解系统的运动学方程、动力学方程和本构方程。从而获 得每个颗粒及壁面单元体的速度、受力等参数。计算结果可以实时更新，便于工 程师及时发现模型设置中可能出现的问题。而且，EDEM 可以支持并行计算，大 大的缩短了计算时间。 图 3 Simulator 的操作界面 Analyst（见图 3）是 EDEM 的后处理模块，含有很多工具对计算结果进行 加工处理，方便的获得颗粒的速度、能量分布，设备的受力情况等，并可利用统 计方法对各物理量间的相关性进行分析。EDEM 可以的生成各种动画、图表等， 也可以将所需的结果导出成文件
11、。 便于工程师对散货装卸设备性能、 散货流动性、 分布规律等进行分析，为改进设计提供可靠的依据。 4 图 4 Analyst 的操作界面 3.3 FluentEDEM 耦合方案耦合方案 EDEM 不仅可以单独进行颗粒力学模拟，也可以和通用 CFD 软件发 Fluent 耦合进行流体颗粒系统的模拟。其主要特点如下： EDEM-Fluent 耦合计算时，EDEM 的耦合模块内置于 Fluent 软件中， 两者无缝连接； （如图 5） EDEM 自动读取 Fluent 中的网格； EDEM可以使用Fluent中离散相模型和欧拉多项流模型进行多相流耦 合； 采用 EDEM 直接对颗粒运动进行模拟； 完
12、全双向动力耦合。 图 5 Fluent 中的 EDEM 面板 5 FluentEDEM 可以模拟绝大多数的流体颗粒系统， 特别是在以下方面， 更 有不可代替的优势： 颗粒尺度分布范围广； 非球形颗粒； 流体中充满颗粒，颗粒的体积分数大； 颗粒凝聚和分离； 机械设备上颗粒沉积沉积和黏结黏结。 图 6 给出了 FluentEDEM 耦合模拟流程的示意图：先由 Fluent 将某一时间点的流场 计算收敛， 将流场信息通过曳力模型转化为 EDEM 中作用在颗粒上的流体曳力， EDEM 计算 每个颗粒所受的外力（流体曳力、重力及碰撞力等） ，并由此更新颗粒的位置、速度等信息， 最后这些颗粒属性以动量汇的
13、形式加到 CFD 计算中，从而影响流场。 图 6 FluentEDEM 耦合模拟流程 四、四、FluentEDEM 耦合的应用案例耦合的应用案例 1. 气力输运 气力输运设备是典型的流体-颗粒系统，原理是通过向管道中通入一定流 量的气流来运输散状物料（颗粒） 。 6 图 7 流速不同对颗粒流运动的影响 0 1 2 3 4 5 6 7 05101520253035 Fluid Inlet Velocity (m/s) Pressure Drop (mbar/m) . 0 kg/s 1244 kg/s particles input at half fluid velocity 1244 kg/s
14、 particles input at the same velocity as the fluid Experimental Results Increased Friction 1m/s particle input velocity 图 8 压降随流速的变化情况 图 9 叶片作用下的颗粒运动 图 10 颗粒的气动输运过程 2. 流化床 流化床是工程中主要的两相流动之一，图 5.4 给出 Fluent-EDEM 耦合的 流化床模拟结果。 7 图 11 Fluent-EDEM 耦合的流化床模拟结果 3. 颗粒烘干 工业生产中，有一些设备是又来对颗粒状物料进行除湿的，即又干空气 流过颗粒表面，对颗粒进行烘干。在数值模拟中，不仅考虑了流体的流 动，同时考虑了流体与颗粒间的热量交换。 （如图 12） 8 图 12 Fluent-EDEM 模拟颗粒的烘干过程 4. 颗粒夹带 颗粒夹带也是一种风力输运的形式，河流中的泥沙流失也属于该类型， 图 12 给出 Fluent-EDEM 耦合的模拟结果。 图 13 颗粒卷吸的 Fluent-EDEM 模拟结果 5. 旋流分离器 9 图 14 漩流分离器的耦合模拟结果 10
