CFD-DEM耦合方法

流体－颗粒系统数值模拟的FLUENT－EDEM解决方案北京海基科技发展有限公司2009年6月24日一、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.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昀为迅速、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：¾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；1¾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、CFD-DEM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。3.1DEM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（DiscreteElementMethod,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。23.2EDEM软件介绍EDEM是世界上第一个基于昀先进的离散元方法（DEM——DiscreteElementMethod），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ParticleFactory（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1Creator的操作截面图2各种形状的颗粒Simulator（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。3图3Simulator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。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。图4Analyst的操作界面3.3Fluent—EDEM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4耦合；•采用EDEM直接对颗粒运动进行模拟；•完全双向动力耦合。图5Fluent中的EDEM面板Fluent—EDEM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和黏结。图6给出了Fluent—EDEM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，昀后这些颗粒属性以动量汇的形式加到CFD计算中，从而影响流场。图6Fluent—EDEM耦合模拟流程5四、Fluent—EDEM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）。图7流速不同对颗粒流运动的影响0123456705101520253035FluidInletVelocity(m/s)PressureDrop(mbar/m).0kg/s1244kg/sparticlesinputathalffluidvelocity1244kg/sparticlesinputatthesamevelocityasthefluidExperimentalResultsIncreasedFriction1m/sparticleinputvelocity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。6图11Fluent-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）图12Fluent-EDEM模拟颗粒的烘干过程4.颗粒夹带7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.流分离器旋图14漩流分离器的耦合模拟结果8