基于EDEM的颗粒力学模拟方案

基于EDEM的颗粒力学模拟方案

北京海基科技发展有限责任公司

2015年8月

EDEM技术方案

1. 采用离散元（DEM）方法研究颗粒系统的必要性。

散体或颗粒材料在自然界和工程中极普遍，分为颗粒和粉体。按组成相结构，有干散体、颗粒两相流或气－液－固多相流，以及密相颗粒和填隙液体组成的湿颗粒群。其力学特征可概括为“散”和“动”，前者指颗粒物性、粒度和形状的分散性，后者指破裂、破碎。过去常用宏观的连续体力学理论分析散体过程，上述散、动特征常与均匀、连续等假定冲突，导致理论与实际偏离。随着计算技术的进步，出现了计算散体力学领域中新的数值方法－离散元法（Discrete Element Method，DEM）。DEM的基本思想是把整个介质看作由一系列离散的独立运动的粒子所组成，单元本身具有一定的几何和物理、化学特征。单元的尺寸是微观的，其只与相邻的单元作用，其运动受经典运动方程控制，整个介质的变形和演化由各个单元的运动和相互位置来描述。

2. EDEM在分析颗粒系统中的优势

EDEM是世界上第一个用现代离散元模型科技设计用来模拟和分析颗粒处理和操作的CAE软件。

使用EDEM，可以快速、简便的为我们的颗粒固体系统建立一个参数化的模型，可以通过导入真实颗粒的CAD模型来准确描述它们的形状，通过添加力学性质、物料性质和其它物理性质来建立颗粒模型，并且在处理过程中，可以把产生的数据储存在相应的数据库中。

利用EDEM的Particle Factory TM技术，我们可以根据机械形状来高效生成颗粒集合，其中机械形状可以作为固体模型或表面网格从CAD或CAE系统中导入。机械组成部分是可以集成的，并且可以对每个部分单独的设定动力学特性。

EDEM也是世界上第一个可以通过与CFD软件耦合来对固－液/气相系统进行颗粒尺度模拟的CAE 软件。当颗粒间或颗粒和壁面相互作用对系统行为很重要时，EDEM这项独特的技术就能够使我们完成此类型的模拟分析。

EDEM也可以和FEA工具相耦合，我们可以模拟机械组分的动态载荷并且可以直接将结果输出到我们喜欢的结构分析工具中。

总之，EDEM是一个强有力的CAE工具，利用其独特的功能，我们就能以一种更加准确的方式对颗粒处理及其生产操作进行研究，从而产生一种与以往不同的崭新的认识。

2.1 强大的前处理器EDEM Creator

通过EDEM Creator我们可以方便快捷的为颗粒系统建模。

●颗粒物性的设置：密度、重力系数、泊松比、剪切模量、恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数。

●颗粒形状的定义，EDEM能够模拟任何形状的颗粒。对于形状非常复杂的形状，可以先用CAD软件

设计，然后导入EDEM使用。

●颗粒所在环境的设计，EDEM可以和许多CAD软件兼容，所以导入CAD图形可以方便的设计颗粒

所在环境。EDEM还可以设定机械部件的运动，并且允许多个运动部件同时运行。

●颗粒源的设定，定义颗粒的装配方式。

EDEM Creator 操作界面

2.2 现代化的DEM求解器EDEM Simulator

Simulator采用了最为先进的DEM算法和碰撞搜索方法，计算速度非常快。

●快速有效的检测离散介质间的接触。支持静态和动态时间步长。

●内置丰富的接触力学模型：Herz Mindlin No Slip Contact Model, Parallel Bond Contact Model,

Cohension Contact Model, Moving Plane Contact Model, Linear Spring Contact Model等，可以模拟硬球、软球，颗粒之间的破裂、黏附，颗粒的旋转等现象。

●自定义函数：可以通过自定义函数实现所研究系统的一些特定性质，如：热量或质量的传递，化学

反应等现象。

●同其它求解器耦合计算：如CFD、FEA等求解器。

EDEM Simulator 操作界面

2.3强大的后处理器EDEM Analyst

EDEM中的数据分析和可视化工具使我们可以通过各种途径调查模型情况：

●3D视频动画、剖面图

●生成初始数据和用户自定义参数数据的图表

● 瞬态分析

● 基于粒子群的空间分析 ● 颗粒跟踪、向量图 ● 接触和结构的可视化

● 可以将结果输出为ASCII 格式或输入到EnSight —世界顶级可视化软件

EDEM Analyst 操作界面

2.4 利用EDEM 分析可以获得的数据

颗粒尺度上：

● 颗粒动力学性质：位置、速度、加速度等 ● 颗粒受力情况：接触力、曳力、静电力等 ● 颗粒间的接触历史、运动路径等 ● 颗粒和机械表面的接触

● 颗粒的尺寸、质量、温度分布 ● 发生在颗粒上的化学反应动力学 ● 新颗粒的形成等 宏观尺度上：

● 颗粒的混合动力学 ● 流动的不均一性 ● 颗粒的分离

● 颗粒的聚并和表面处理

● 处理颗粒系统的机械的能量损失 ● 颗粒－机械的相互作用 ● 热传导 ● 气动传输 ● 流态化等

3. EDEM 和CFD 软件Fluent 的无缝耦合

众所周知，Fluent 在模拟离散系统方面存在许多缺陷，如：不能模拟非球形颗粒，颗粒体积分率超过10％时不能获得每个颗粒的动力学性质等等。

EDEM 是颗粒系统的仿真专家，适合于分析任何的颗粒系统操作。EDEM 还开发了同Fluent 的无缝接口：EDEM －Fluent Coupling Module ，实现EDEM 和Fluent 的在线耦合分析。在多相流的仿真过程中，颗粒性质（尺寸分布、形状、力学性质、表面力等）对颗粒和流体的动力学性质有着很大的影响。EDEM 和Fluent