基于CFD-DEM耦合模拟方法的水流泥沙运动研究

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强迫振动下垂直管道固液两相流数值模拟研究

强迫振动下垂直管道固液两相流数值模拟研究万初一;范祖相;周岱;韩兆龙;朱宏博;包艳【期刊名称】《力学学报》【年(卷),期】2024(56)3【摘要】粗颗粒固液两相流的管道输运适用于深海采矿工程.扬矿管道在流致振动作用下的内部固液两相流的输运机理尚未被完全探究.因此,采用计算流体动力学(CFD)与离散元(DEM)耦合的方法,分析不同粒径、不同振动频率与振幅和不同浓度工况下在强迫振动管道中的粗颗粒动力学特性以及管内流场变化特性.其中,将管道的振动简化为一维径向振动,将实际工况中的柔性管道假定为刚体管道.研究表明,在管道振动过程中,大颗粒相比小颗粒的惯性更大,而流体也需要更大的速度产生更大的曳力推动大颗粒,导致更大的轴向流场速度以及更大的轴向颗粒速度.随着粒径增大,大颗粒对流场的扰动更大,导致流体与壁面间的作用力更大;并且大颗粒与壁面间的碰撞和摩擦作用力更大,因此壁面剪应力增大.同时,大颗粒与流体间摩擦损耗的能量也更大.因此管道需要更大的能量将其输运,导致振动管道内的压降增加.增大管道振动频率与振幅会导致颗粒在截面上的分布更加分散,同时对流场扰动更大,然而对轴向流场速度的影响相对较小.增大进料浓度使颗粒间、颗粒与流场间的作用更加频繁,导致颗粒分布发生变化,并导致更大的轴向流场速度和湍动能.【总页数】11页(P586-596)【作者】万初一;范祖相;周岱;韩兆龙;朱宏博;包艳【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院;上海齐耀动力技术有限公司【正文语种】中文【中图分类】TD50【相关文献】1.石化管道液固两相流冲蚀磨损的数值模拟研究2.基于液固两相流排污管道冲蚀磨损的数值模拟3.固液两相流诱发变径及T型管道振动实验研究及数值模拟4.固-液两相流黑水管道冲蚀磨损的数值模拟研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于CFD-DEM耦合方法的近床面水流泥沙运动模拟研究

模型ｎ；ＬＩＧＧＧＨＴＳ中采用Ｈｅｒｔｚ—Ｍｉｎｄｌｉｎ无滑移“软球”模型ｎ计算接触颗粒之间的作用力。具体的耦合过
程如图１所示
２近床面水流泥沙运动的数值模拟
２．１计算区域及模拟参数设定流体的计算域为长方体，大小为 ×Ｙ× ＝０．１２ｍ×０．０６ｍ×０．０４ｍ。流体的流动方向为轴正方向，ｙ轴
中图分类号：ＴＶ１４２；０２４２．１
文献标识码：Ａ
文章编号：１００５—８４４３（２０１６）０３—０２２４—０７
水流作用下的近床面泥沙运动是河流动力学研究的重要课题，一直受到国内外学者的重视，目前已有大量理论、实验及数值模拟的文献发表Ｈ。近年来，计算流体力学（ＣＦＤ）的广泛应用及离散单元法（ＤＥＭ）的日臻完善，使得水流泥沙运动研究从宏观研究进入细观尺度的数值模拟研究ｂ。ＣＦＤ与ＤＥＭ的耦合数值模型可以描述泥沙颗粒在水体中的运动过程，从细观尺度刻画大量泥沙颗粒在近床面运动的细节，并可以在此基础上进一步总结近床面水流泥沙宏观运动规律］。与直接数值模拟（ＤＮＳ）豳、浸润边界法（ＩＢＭ）及格子玻尔兹曼（ＬＢＭ）ｎ。“等可以描述颗粒运动受力的方法相比，ＣＦＤ—ＤＥＭ耦合模型对于颗粒本身并不作解析，减少了对计算资源的需求，因而可以应用于描述局部冲刷等颗粒数目上百万的实际问题，具有较为广泛的应用前景。为此，本文将基于计算流体力学开源软件ＯｐｅｎＦＯＡＭ￣和离散颗粒开源软件ＬＩＧＧＧＨＴＳ￣以及二者耦合的开源软件ＣＦＤＥＭ￣，建立描述水流泥沙运动的细观模型，研究不同水流动力条件下近床面水体的紊动特性与泥沙颗粒的运动规律。

我国泥石流数值模拟研究历程及发展趋势

第37卷第5期2023年10月水土保持学报J o u r n a l o f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o nV o l .37N o .5O c t .,2023收稿日期:2023-03-07资助项目:国家自然科学基金项目(U 20A 20110 01);中国地质调查局地质调查项目(D D 20221746) 第一作者:杨昶(1997 ),男,硕士,主要从事泥石流数值模拟技术研究㊂E -m a i l :y a n g c h a n g21@m a i l s .u c a s .a c .c n 通信作者:铁永波(1979),男,博士,教授级高级工程师,博士生导师,中国地质调查局杰出地质人才, 重点地区特大地质灾害链调查评价工程首席专家,主要从事地质灾害评价与防治研究㊂E -m a i l :t y b 2009@q q.c o m 我国泥石流数值模拟研究历程及发展趋势杨昶1,2,铁永波2,3,4,张宪政2,3,4,向炳霖2,3,4,5(1.中国地质科学院,北京100037;2.中国地质调查局成都地质调查中心(西南地质科技创新中心),成都610081;3.自然资源部地质灾害风险防控工程技术创新中心,成都611734;4.自然资源部成都地质灾害野外科学观测研究站,成都610000;5.重庆交通大学河海学院,重庆400074)摘要:针对泥石流流变特性和动力学过程复杂的特点,在系统收集国内泥石流数值模拟研究相关文献的基础上,按初步探索㊁逐渐完善和成熟多元3个阶段对我国泥石流数值模拟研究的历程及现状进行了总结㊂根据物质组成和动力学特征来看,泥石流的动力学模型可划分为连续介质㊁离散介质和混合介质模型,通过分析不同模型的特点及应用场景,对比总结各类模型和数值计算方法的适用性及不足,在此基础上针对当前泥石流模拟存在的难点,对泥石流数值模拟的发展进行了展望,旨在为泥石流数值模拟研究及应用软件开发提供参考㊂关键词:泥石流;动力学模型;数值模拟;研究综述中图分类号:P 694 文献标识码:A 文章编号:1009-2242(2023)05-0001-11D O I :10.13870/j.c n k i .s t b c x b .2023.05.001R e s e a r c hH i s t o r y a n dD e v e l o pm e n t T r e n do fN u m e r i c a l S i m u l a t i o no fD e b r i s F l o w i nC h i n aY A N GC h a n g 1,2,T I EY o n g b o 2,3,4,Z HA N G X i a n z h e n g 2,3,4,X I A N GB i n gl i n 2,3,4,5(1.C h i n e s eA c a d e m y o f G e o l o g i c a lS c i e n c e s ,B e i j i n g 100037;2.C h e n g d uC e n t e r o f Ch i n a G e o l o g i c a lS u r v e y (S o u t h w e s tG e o l o g i c a lS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y I n n o v a t i o nC e n t e r ),C h e n gd u 610081;3.Te c h n o l o g y I n n o v a t i o nC e n t e rf o rR i s kP r e v e n t i o na n d M i t ig a t i o no f G e oh a z a r d ,Mi n i s t r y o f Na t u r a l R e s o u r c e s ,C h e n g d u 611734;4.Ob s e r v a t i o na n dR e s e a rc hS t a t i o no f C h e n gd uGe o l o g i c a lH a z a r d s ,M i n i s t r y o fN a t u r a lR e s o u r c e s ,C h e n g d u 610000;5.H e h a iC o l l e g e ,C h o n g q i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ,C h o n g q i n g 400074)A b s t r a c t :A i m i n g a t t h e c o m p l e x c h a r a c t e r i s t i c s o f r h e o l o g i c a l p r o p e r t i e s a n d d yn a m i c p r o c e s s o f d e b r i s f l o w ,o n t h eb a s i s o f s y s t e m a t i c a l l y c o l l e c t i n g re l e v a n t l i t e r a t u r e s o nn u m e r i c a l s i m u l a t i o nof d e b r i s f l o wi nC h i n a ,t h e h i s t o r y a n d c u r r e n t s i t u a t i o no f n u m e r i c a l s i m u l a t i o no f d e b r i s f l o w i nC h i n a a r e s u mm a r i z e d a c c o r d i ng t o th r e es t a g e s :p r e li m i n a r y e x p l o r a t i o n ,g r a d u a li m p r o v e m e n t a n d m a t u r i t y .A c c o r d i n g t o t h e m a t e r i a l c o m p o s i t i o na n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ,t h ed y n a m i c m o d e lo fd e b r i s f l o wc a nb ed i v i d e d i n t oc o n t i n u o u s m e d i u m ,d i s c r e t e m e d i u m a n d m i x e d m e d i u m m o d e l .B y a n a l y z i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d a p pl i c a t i o n s c e n a r i o s o f d i f f e r e n tm o d e l s ,t h e a p p l i c a b i l i t y a n d s h o r t c o m i n gs o f v a r i o u sm o d e l s a n dn u m e r i c a l c a l c u l a t i o n m e t h o d s a r e c o m pa r e d a n d s u mm a r i z e d .O n t h i sb a s i s ,i n v i e wo f s o m e d i f f ic u l t i e s i n t h ede b r i sf l o ws i m u l a t i o n ,t h e f u t u r e d e v e l o p m e n t o f d e b r i s f l o wn u m e r i c a l s i m u l a t i o n i s p r o s p e c t e d ,a i m i ng t o p r o v i d i n g r e f e r e n c e f o r d e b r i s f l o wn u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n s o f t w a r e d e v e l o p m e n t .K e y w o r d s :d e b r i s f l o w ;d y n a m i cm o d e l ;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ;r e v i e w 泥石流是一种常见于山区由重力作用驱动的典型自然灾害,具有突发性强㊁流动速度快和破坏能力显著的特点㊂随着我国经济水平的不断发展,人们开始投身于山区的开发利用,与之而来的泥石流灾害问题也进入人们的视野[1]㊂早期对泥石流的研究过程通常为野外观测ң数据采集ң经验总结[2]㊂但这一思路通常只能对某些问题进行定性的分析,无法定量说明泥石流运动过程中的特有现象,如阵性来流㊁高Copyright ©博看网. All Rights Reserved.速低阻等[3]㊂为深入研究泥石流的运动规律㊁侵蚀堆积过程及冲击破坏能力,我国学者着眼于宏观和细观尺度,采用相应的数值技术对泥石流开展从单尺度到多尺度㊁从连续介质模型到耦合模型的研究历程,推动泥石流的研究体系逐步由定性向定量转变㊂泥石流的数值模拟最初采用单流体模型和多流体模型㊂单流体模型是指将泥石流视为整体,建立单一组分的动力学模型㊂多流体模型考虑泥石流固液两相之间的相互作用关系,通过两相动量间的动量交换建立起多组分的动力学模型㊂常用的单流体模型有B i n g h a m 模型[4]㊁V o e l l m y模型[5]和膨胀体模型[6],多流体模型有库伦混合流模型[7]和广义两相流模型[8]㊂单流体模型虽然计算参数少㊁计算量小且使用方便,但其假设具有局限性,即认为泥石流体的固㊁液两相之间速度基本一致,忽略两相间的相对运动㊂这在黏性泥石流中大致成立,但对稀性泥石流和水石流则明显与实际不符㊂因此,为研究固㊁液两相之间的相互作用关系,有学者借鉴水和细颗粒泥沙的两相流模型,提出浆体和粗颗粒泥沙/石块的结构两相流模型,并进一步对高浓度和低浓度的泥石流运动机理进行分析[9-12]㊂该模型考虑固液两相之间的动量交换,采用两组分的流体动力学方程进行描述,相比于单流体模型更加适用于黏性泥石流,本质上结构两相流模型是多流体模型的一种㊂随着研究的深入,学者们发现无论是单流体模型还是多流体模型,对固相的处理都存在不足,尤其是对宽级配泥石流体的粗颗粒组分难以进行定量分析㊂尽管多流体模型将固㊁液两相分别采用2组方程进行描述,但连续介质模型从本质上来说并不适用于对粗颗粒物质进行描述[13]㊂因此,适用于宽级配固相颗粒的基于离散介质模型的数值计算方法引起广泛关注㊂离散介质模型大体可分为从微观角度出发建立的离散元模型和基于介观建立的动力学模型,常用的数值计算方法有离散单元方法(D E M)[14-17]㊁格子玻尔兹曼方法(L B M)[18-19]和元胞自动机方法(C A M)[20]㊂离散元模型适用于颗粒流和碎屑流的动力学机理研究,动力学模型适用于固液碰撞和多孔渗流等问题的研究㊂总体来讲,2种模型均适用于细微观尺度下的动力学研究,但针对的研究问题各有侧重㊂对宏观尺度的流动问题,因计算效率和收敛性等原因,通常采用连续介质模型进行处理㊂为了兼顾连续介质模型和离散介质模型的优点,混合模型由此产生㊂这一模型不仅解决连续介质模型在描述粗颗粒及相间作用力上的困难,同时也避免离散介质模型对宏观流动问题计算效率的不足㊂相比于前2类模型,混合模型更为符合泥石流的物理本质,目前已有的混合模型计算方法有S P H-D E M[21]㊁L B M-D E M[22]和C F D-D E M[23]㊂尽管混合模型在物理上更符合泥石流的特性,但在实际使用过程中存在较多难点,比如,各相间相互作用力难以精确量化㊁宽级配泥石流体的多尺度问题及耦合算法的界面信息传递等问题,其理论和计算方法都有待进一步完善㊂本文从我国泥石流数值模拟的研究历程出发,聚焦不同类型的泥石流动力学问题,对比分析不同数值模拟方法的优缺点,总结目前取得的成果,并对下一步的研究提出建议,旨在为快速㊁全面了解泥石流动力学模型和数值计算方法提供参考㊂1研究历程1.1初步探索阶段国内对泥石流数值模拟的研究始于20世纪90年代㊂这一时期,由于人类经济和社会的快速发展,所面临的自然灾害问题也日益严重㊂了解泥石流的运动规律㊁分析其冲出堆积过程㊁预测其危险程度是当时亟待解决的科学问题㊂为研究上述问题,唐川等[24-26]基于守恒定理推导出一维非定常流的控制方程,进而将其扩展至二维㊂通过引入隐式剖开算子,对方程组进行求解,并结合云南怒江的芭蕉河泥石流进行实例验证㊂数值和实测结果表明,这一方法能有效模拟泥石流的冲出堆积过程(图1)㊂基于上述的数值结果,以泥深和流速为评价指标,提出泥石流堆积扇的危险度评价体系,开创性地采用数值模拟手段进行泥石流堆积区危险性评价㊂图1芭蕉河泥石流泛滥的模拟范围与实际范围比较[24]泥石流由高浓度的粗颗粒和水或浆体组成,其内部存在由粗颗粒运动导致的碰撞和摩擦力,粗颗粒和浆体之间的湍流力,孔隙流体或颗粒和浆体混合物的黏性力,以及两相之间相对运动产生的作用力[27-29]㊂随着流体中平均粗颗粒体积浓度(C)的变化,其主要作用力不同,结合雷诺数㊁B a g n o l d数和相对深度,可以对流体进行相应划分[27](图2),其流变特性及相应的力学模型见表1㊂2水土保持学报第37卷Copyright©博看网. All Rights Reserved.注:附图修改自参考文献[27]㊂图2 固液两相流体运动形式判据表1 不同流体的剪切力模型流体本构模型模型名称模型方程式方程编号水流牛顿流变模型τ=μγ[30-31](1)挟沙水流低含沙水流采用公式(1)[32]高含沙水流采用公式(2),但需要对μ进行修正[33]B i n g h a m 模型τ=τ0+μγ[34-35](2)V o e l l m y 模型τ=σf +ρg v 2ξ[36-37](3)泥石流膨胀模型τ=τ0+μγ+ξγ2[38-39](4)H e r s c h e l -B u l k l e y 模型τ=τ0+μγn [40-41](5)双线性流变模型τ=τ0+μγ+τ0γ0γ+γ0[40-41](6)库伦混合流模型τ=c +σt a n φ+μγn [42](7) 注:τ为剪切力;τ0为屈服应力;μ为黏性系数;γ为剪应变;γ0为临界剪应变;σ为正应力;f 为摩擦系数;φ为内摩擦角;ρ为密度;g 为重力加速度;v 为流向速度;ξ为湍流系数;n <1㊂泥石流动力学方程大多采用不可压缩流体的N S 方程,或将N S 方程在深度上平均简化后得到S a i n t -V e n a n t 方程㊂上述方程组的求解过程可以借鉴不可压缩流体C F D 的计算思路,通过有限差分/有限体积法/有限元方法对N S 方程进行离散,而后采用S I M P L E /P I S O /P I M P L E 算法求解计算区域的流场和压力场㊂基于上述思路,可以分析出不同边界条件下,泥石流区别于水流和挟沙水流的物理特性及流场差异,有助于理解泥石流的运动特点[43]㊂单流体模型便于使用且应用广泛,但其假定泥石流固液两相之间强耦合,不具有相对流动速度,忽略泥石流的固㊁液两相流特征㊂一种更为合理的方法是将泥石流视为一种特殊的结构两相流体,固相由粗颗粒部分组成,液相由细颗粒和水组成[9-10]㊂在此基础上针对泥石流运动堆积过程的特点,将其简化为平面二维流动㊂泥石流的停止是重力势能转化为阻力做功的结果,并忽略密度在流动过程中的沿程变化和动量扩散影响,假定速度在垂向上变化很小,可忽略,两相之间的相互作用通过阻力项进行描述,进而体现相间动量交换过程,最后可以得到结构两相流的动力学方程组,并用于重现1991年沙湾大沟泥石流的运动堆积过程(图3)[44-46]㊂上述的结构两相流方程不仅可以模拟泥石流的运动堆积过程,通过特定的简化和采取合适的阻力模型,结合P I C 算法可模拟稀性和黏性泥石流的阵性运动和堆积过程[47-48],也可用于分析不同流量补给条件下的泥石流堆积特点[49]㊂初期泥石流的数值模拟从动力学模型到数值求解方法,基本上沿袭水力学和计算流体力学2个学科的思路,对泥石流物理模型上的认知更多处于单流体和多流体模型阶段,即总体上认为泥石流的运动以液相运动为主,符合连续介质假设㊂尽管单流体和多流体模型无法描述以固相颗粒运动为主的泥石流体,但其简化方便㊁容易理解,从实际使用效果来看,足以满足工程实践的需求,直至今日仍广泛应用㊂以上工作在我国泥石流数值模拟发展的初期起到奠基作用,对泥石流的动力学方程及其计算方法进行了有益探索㊂3第5期杨昶等:我国泥石流数值模拟研究历程及发展趋势Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图31991年沙湾大沟泥石流运动堆积过程的数值重现[46] 1.2逐渐完善阶段从2000年开始,三峡库区及震区的灾害防治理论与技术研究,极大地推进防灾减灾技术的发展[50]㊂基于长期的实践经验发现,泥石流的运动过程难以用简单的流动ң堆积进行概述㊂由于不规则地形的影响,泥石流的运动过程常伴随着汇聚与分流㊁滞留与侵蚀等复杂现象[51]㊂其运动过程包含启动㊁沿程运动(侵蚀放大㊁颗粒分选)和汇流3个阶段(图4),因此需针对各阶段的特点进行相应研究㊂注:(a)修改自参考文献[52];(b)修改自参考文献[53];(c)修改自参考文献[54];(d)修改自参考文献[55]㊂图4泥石流启动到入汇主河的动力学过程示意泥石流的启动通常与地震和降雨密切相关,其触发过程通常可以用驱动力(地震㊁降雨㊁人类活动等)和抗力(土体的抗剪强度)的相互作用来描述[56]㊂泥石流的启动机理通常可按土力和水力两类泥石流进行研究㊂土力泥石流多为降雨入渗下,土体饱和失稳液化形成的一类泥石流,其启动因子为土体水分饱和度和孔隙水压力(图4c);水力泥石流是受水流作用控制的一类泥石流,由地表径流对沟道物源进行冲刷形成,启动因子为流体的冲击力和拖拽力[57]㊂土力泥石流的数值研究方法通常采用离散元方法,通过研究不同含水率和降雨强度条件下的泥石流启动过程发现,土体失稳时的含水率往往在饱和含水率附近[54,58-59]㊂水力4水土保持学报第37卷Copyright©博看网. All Rights Reserved.泥石流的启动则可参考沟道侵蚀过程㊂泥石流沿沟道运动过程中,常伴随着颗粒分选和沿程侵蚀过程㊂泥石流在沟道中的运动过程可以用明渠流进行类比㊂已有研究[11-12]表明,管道和明渠中的固液两相流在近壁区存在显著的滞后现象,为探究其深层原因,有学者从动理学角度出发,采用F o k k e r-P l a n c k扩散模型描述湍流与颗粒间的相互作用,进一步引入修正的B G K模型对颗粒的碰撞效应进行近似处理,采用C h a p m a n-E n s k o g展开将复杂的动力学方程转化为线性方程形式,并建立描述颗粒相运动的动力学模型㊂采用上述模型,对高/低浓度的固液两相流进行研究发现,颗粒脉动能与作用在颗粒上的外力是影响颗粒运动的主要影响因素[11-12,60-61]㊂上述研究表明,泥石流在运动过程中存在颗粒分选效应,粗颗粒逐渐向泥石流浅表层及前缘聚集,细颗粒则迁移至泥石的下层及底部(图5b和图5c),前者是粗颗粒的向上分选过程,后者为细颗粒的向下筛分过程,最终形成泥石流的堆石垄结构(图5a)[16,62-63]㊂此外,Z h o u等[64]将泥石流视作二元颗粒流结合C F D-DE M方法提出颗粒分选模型,研究完全浸没在不同环境流体中的颗粒流分选情况表明,黏性流体的存在有效地降低颗粒分选效应,但并非直接进行影响,而是通过降低剪切速率和压力的形式表现㊂注:(a)修改自参考文献[62];(b)和(c)修改自参考文献[63];箭头方向指标重力方向㊂图5运动泥石流形成堆石垄过程中的颗粒分选机理泥石流的沿程侵蚀过程(图4d)常被描述为滚雪球效应[65],如何考虑泥石流在运动过程中由于侵蚀作用导致的体积放大效应是一大难点㊂解决上述问题,通常有3种思路:(1)基于试验结果和自然物理现象(例如,一次泥石流事件发生前后的体积变化)总结得到的经验公式;(2)基于平衡状态假设推导得出的侵蚀模型;(3)基于守恒方程推导得出的侵蚀模型㊂例如,较多研究[66-73]基于上述思路开发出的侵蚀模型,更多国内外学者提出的不同侵蚀模型见表2㊂在复杂地形条件下,局部的地形变化可能对侵蚀作用产生显著的影响㊂已有研究[74-76]表明,地形起伏强烈影响着流体的运动,主要表现为剪切作用和动量传递过程在地形阻碍或重定向运动的地方存在突变,其本质是复杂地形引起的垂直加速度和曲率效应的影响[77]㊂总体趋势为地形整体起伏变化较小,流体速度越高,侵蚀越强;地形整体起伏变化较大,流体能量耗散率越高;速度越小,更易堆积在沟谷中[78-79];另一大难点是数值算法的稳定性,解决这一问题通常可采用激波捕捉格式的有限体积格式对复杂地形的流动过程进行模拟[80-82]㊂泥石流的入汇是十分复杂的动力学过程,涉及固相颗粒的运移及水流对泥石流的多场耦合作用,在计算过程中需确定泥石流和水流的相界面㊂采用常规的数值计算方法难以解决这一问题㊂基于上述考量,可从流体力学理论出发结合非牛顿流体的本构关系得出泥石流与水流交汇区的统一方程㊂进一步考虑交汇区流体存在从牛顿体向非牛顿体转变的过程,结合前人研究成果,采用经验关系式求出浆体屈服应力,最后通过标志网格法(MA C)求解交汇区的控制方程,得到泥石流堵江的动态过程[93]㊂泥石流的堆积过程通常伴随着流体的体积质量减少和能量损耗[46]㊂在控制方程组中通常作为源项进行描述,源项为正表示侵蚀作用,源项为负表示堆积作用㊂表示堆积作用的源项通常以阻力为主的形式出现在方程右侧[24,26,46,94-95];也可以采用由现场资料得出的经验公式,如假定泥石流体积与沟谷横截面积和平面堆积面积存在关系,结合非定常明渠流理论得到的L A H A R Z模型[96]㊂对于颗粒流的堆积过程,可采用离散单元法对泥石流的堆积过程进行研究,得到有源和无源条件下的固体颗粒运移过程[14]㊂这一阶段主要将初期简化的流动ң堆积过程进行更为深入的考虑,将泥石流的流动过程细化为启动ң沿程运动(侵蚀放大㊁颗粒分选)ң汇流固体物质运移㊁堆积㊂对固相颗粒动力学机理的研究中引入离散介质模型(D E M㊁L B M),对泥石流的物理建模更为充分且能够捕捉到颗粒在整个过程中的运移机制,为深入研究泥石流的动力学机理开拓了新的思路㊂5第5期杨昶等:我国泥石流数值模拟研究历程及发展趋势Copyright©博看网. All Rights Reserved.表2 侵蚀率公式的总结及说明[83]来源侵蚀率公式备注文献[42]E =α1c e -c c *-c e h 1u 1d ,i f (c <c e )α2c e -c c *h 1u 1d,e l s e ìîíïïïï(8)基于流体的泥沙浓度(c )和平衡浓度(c e )的对比得到文献[84]E =c *u 1t a n (θ-θe )(9)基于平衡状态下的坡度(θe )和实际环境坡度(θ)的对比得到文献[85]E =αu 21+v 21,i f (τ1z x b o t ȡτt h r e s h o l d )0,e l s e{(10)考虑侵蚀与流速线性相关的经验公式文献[66,86-89]E =φθ-θc h 1u 1d -0.2,i f (θȡθc )0,e l s e {(11)考虑溃坝洪水对河床侵蚀响应的经验公式文献[71]∂z b∂t=E M h 1u 21+v 21E M =l n (V f /V 0)/S(12)基于侵蚀前后体积变化求得平均侵蚀率并采用类似公式(11)思想得到的经验公式文献[90]E =σ2t o p -σ1t o pρw 1(z b ),i f (σ2t o p >σ1t o p )0,e l s e{(13)基于守恒方程推导得出的描述雪崩对基底侵蚀的公式文献[83]-∂z b ∂t =τ1b o t -τ2t o p ρu 1-u 1σ2t o p -σ1b o t τ1b o t -τ2t o p (14)不考虑河床地形影响的侵蚀率通用形式文献[91]-∂z b ∂t =τ1b o t -τ2t o pρu 1τ1b o t =ρs C f u 1u 1τ2t o p =t a n (φ2)(σz -p )u 1/u 1(15)不考虑河床地形及剪胀影响的侵蚀率通用形式文献[92]-∂z b ∂t =τ1b o t -τ2t o pρu 21+v 21τ1b o t 可用B i n g h a m ,H e r s c h e l -B u l k e y ,或V o e l l m y 模型τ2t o p =c +h 1ρg (1-λ)c o s θt a n φ2(16)公式(16)的变式文献[73]-∂z b ∂t =τ1b o t -τ2t o pρu 21+v 21τ1b o t =m a x [(ρg h t a n φ+(u 2+v 2)/C 2z ),(ρ(1-s )g h t a n δ)]τ2t o p =c +h 1ρg (1-λ)c o s θt a n φ2(17)公式(16)的变式注:α1和α2为经验系数;c *为静止河床的泥沙浓度;C f 为无量纲摩擦系数;d 为粒径;φ为经验侵蚀系数;V a 和V f 为侵蚀发生前后的体积;h 为层厚;u ㊁v ㊁w 分别为速度沿x ㊁y ㊁z 的分量;下标1,2分别表示移动的上层流体和静止的下层基底㊂1.3 成熟多元阶段泥石流的动力致灾过程具有空间尺度大㊁时间跨度长的特点,因而传统的计算流体力学(C F D )和离散元(D E M )技术难以解决这一问题㊂我国学者在此基础上,提出广义深度积分模型[97]㊂考虑流动在流向和垂向上的巨大差异,对垂向进行深度积分,进而将三维流动问题简化为伪三维流动问题,因而大大缩短计算时间,提高计算效率㊂由于泥石流固㊁液两相流的特点,使得单一的连续介质模型或离散介质模型都不能很好地体现其物理本质,故发展结合两者优势的混合模型㊂构建混合模型普遍采用的方法是对一定粒径范围内的细颗粒和流体描述为泥石流液相浆体部分,对超出临界粒径的固体颗粒描述为泥石流的固相部分,固相部分采用离散介质模型,液相部分采用连续介质模型来刻画[98-100]㊂混合模型适用于固液两相作用形式复杂,固相颗粒间作用力无法忽略的泥石流体,通常的技术手段是对液相部分用N S 方程进行模化,固相部分采用D E M 进行描述,通过一定的耦合技术可以实现泥石流对拦挡物的实时动力过程监测,如冲击破坏[98,101]和坝体截留[99]等㊂然而,在C F D D E M 耦合中,流体与颗粒之间的相互作用基于一个粗糙的网格,该网格无法精确地描述单个颗粒周围的流动或微尺度的流动,因此,有学者采用L B M D E M 的6水土保持学报第37卷Copyright ©博看网. All Rights Reserved.耦合形式,以更加精细地模拟流㊁固两相之间的动力作用过程[22,102]㊂求解混合模型的难点在于如何耦合流体与固体部分的计算,若考虑固体变形对流体的影响则称为双向耦合,反之则为单向耦合[103](图6)㊂流固耦合技术的难点在于界面信息的传递,已有的流固耦合技术通过协调网格法(c o n f o r m i n g -m e s h m e t h o d s )或浸入边界/域(i mm e r s e db o u n d a r /d o m a i n m e t h -o d)的方法来实现流㊁固之间的信息传递㊂然而,协调网格的流固耦合技术在流体固体界面的数据处理困难及迭代收敛性问题上存在问题,目前更多采用浸入式方法[104]㊂注:附图修改自参考文献[103]㊂图6 流固耦合的2种计算流程与前2个阶段研究成果相比,该阶段整体上体现我国泥石流的数值研究已整体迈入世界先进行列㊂对泥石流的动力致灾机理及物理性质理解更为深入,采用的建模方式更具有针对性和科学性,数值计算方法也更为稳定㊁高效㊂通过3类模型(连续介质模型㊁离散介质模型㊁耦合模型)可以对各种性质的泥石流进行物理描述,进而采用合理的数值计算方法研究泥石流在不同尺度下的实际问题㊂2 讨论经过近30年的发展,我国泥石流的数值模拟研究取得系统性的研究成果,体现在从宏观到微观㊁从灾后反演到临灾预报㊂随着计算机技术的发展,后处理技术由原先的平面二维可视化演变为如今的时空四维可视化,进而结合G I S 平台为我国大型工程项目建设㊁山区城镇规划以及防灾减灾工作实施,提供强有力的科技支撑㊂针对不同的泥石流动力学问题,模型的选取和数值处理方式不尽相同㊂泥石流运动模型的适用性与泥石流剪切率有关,如I v e r s o n 的混合流理论可归结为准静态模型,其应力模型与剪切率无关;T a k a h a s h i 的水石流膨胀体模型可以认为是高剪切率状态下的研究;而中剪切率状态下泥石流应力应变过程与剪切速率有关㊂数值方法上,连续介质模型适用于宏观流动过程的研究,离散介质模型适用于研究微观颗粒的动力作用和多孔渗流问题㊂通过耦合离散介质与连续介质并且与室内试验相结合,可研究多尺度下的泥石流动力学机理㊂通过数值模拟技术可以更好地帮助研究人员探究各尺度下的泥石流动力学机理㊂根据不同的研究问题,选择合适的模型与方法尤为重要㊂通过对已有文献进行汇总,给出不同泥石流数值模拟方法的优缺点及其适用性(表3)㊂表3 不同数值模拟方法的优缺点及其适用性汇总数值模型计算方法优点缺点适用性有限差分法(F DM )简单且易于构造高精度格式复杂网格处理困难液相作用为主的泥石流有限体积法(F VM )守恒性好,适于处理复杂网格精度不易提高连续介质模型有限元法(F EM )基于变分原理,守恒性好复杂方程不易处理粒子类方法(S PH ㊁MPM 等)无网格依赖性,易于处理复杂外形精度较低㊁计算量大E-L 方法(P I C ㊁MA C 等)易于捕捉界面流动计算量大㊁稳定性较差离散介质模型格子玻尔兹曼法(L BM )并行性好,边界条件处理方便复杂形状问题求解困难,方程推导过程复杂离散单元法(D EM )直接描述颗粒的相互作用,尺度跨度大(n m~m )计算量大㊁参数标定困难固相颗粒作用为主的泥石流混合介质模型C F D-D EM ㊁L BM-D EM ㊁S PH-D EM 等能够处理复杂的流㊁固相互作用问题界面信息交互困难固液两相共同作用的泥石流7第5期杨昶等:我国泥石流数值模拟研究历程及发展趋势Copyright ©博看网. 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基于CFD-DEM的湿颗粒气力输送数值模拟

基于CFD-DEM的湿颗粒气力输送数值模拟徐止恒;李政权;王贻得;武煜坤;李凯旋;石昊宇【期刊名称】《中国粉体技术》【年(卷),期】2024(30)2【摘要】【目的】为了探索水平管中湿颗粒气力输送的内在机制,开发液桥轮廓由凸到凹的液桥力模型,实现对颗粒含水率的精准调控,分析不同含水率颗粒在输送过程中的动力学特性变化规律。

【方法】采用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)和离散元法(discrete element method, DEM)双向耦合的数值模拟方法,通过对弯头外侧中心线的颗粒速度分析对比,验证数值模型的正确性以及网格的无关性。

【结果】干颗粒沉降在管道底部,表现为管底流的运动状态,湿颗粒因液桥力的作用而形成紧密的颗粒团块,以单粒子和颗粒团2种形式进行运动,并且颗粒含水率越大,颗粒团聚现象越严重;湿颗粒的输送速度明显比干颗粒低,且随着颗粒含水率的增加,颗粒的平均输送速度呈下降趋势。

【结论】相对于干颗粒输送,湿颗粒输送流动性更弱、输送效率更低以及能耗更高,在实际工业应用中,应当对湿颗粒进行前处理,以便于气力输送的无故障进行。

【总页数】12页(P12-23)【作者】徐止恒;李政权;王贻得;武煜坤;李凯旋;石昊宇【作者单位】江西理工大学江西省颗粒系统仿真与模拟重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TE832;TB4【相关文献】1.埋管流化床内湿颗粒流动及混合特性的CFD-DEM数值模拟2.基于CFD-DEM 的柱形颗粒固定床反应器流场特性数值模拟3.基于CFD-DEM的水下切粒装置水室内颗粒流动过程数值模拟4.基于CFD-DEM的非球形颗粒水力输送数值模拟5.基于CFD-DEM耦合数值模拟的垂直管道气力输送流型特性研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于CFD-DEM耦合的水力旋流器水沙运动三维数值模拟

基于CFD-DEM耦合的水力旋流器水沙运动三维数值模拟喻黎明;邹小艳;谭弘;严为光;陈立志;熊子维【摘要】针对水力旋流器内流场运动复杂、沙粒运动规律难以掌握的问题,运用基于颗粒动力学理论的欧拉-拉格朗日液固多相湍流模型,对水力旋流器内的水沙两相三维流动进行了CFD-DEM耦合数值模拟研究,分析了水力旋流器内单个沙粒的轨迹线、速度和沙粒群的运动规律、分布特性等.模拟结果表明,沙粒粒径越小,沙粒向下运行的距离越短,越容易从下降流中进入到上升流中,越难以分离.粒径为40μm的沙粒,在圆柱体与圆锥体交界面处出现沙粒峰值,分离效果易受影响,而50μm和60μm沙粒在圆锥体部分出现峰值,具有较好的分离效果.通过跟踪单个沙粒和沙粒群的运动可知,沙粒在圆柱体内主要作圆周运动,进入到圆锥体部分,沙粒既有圆周运动,又有明显的进入沉沙口的直线运动.分析大量沙粒个体和群体运动以及群体分布情况能从微观角度了解水力旋流器的分离效率,是水力旋流器性能研究的有效手段.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2016(047)001【总页数】7页(P126-132)【关键词】水力旋流器;水沙运动;离散元法;计算流体力学;耦合;数值模拟【作者】喻黎明;邹小艳;谭弘;严为光;陈立志;熊子维【作者单位】长沙理工大学水利工程学院,长沙410004;长沙理工大学水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,长沙410004;长沙理工大学水利工程学院,长沙410004;长沙理工大学水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,长沙410004;长沙理工大学水利工程学院,长沙410004;长沙理工大学水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,长沙410004;长沙理工大学水利工程学院,长沙410004;长沙理工大学水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,长沙410004;中南大学机电工程学院,长沙410083;湖南农业大学工学院,长沙410128【正文语种】中文【中图分类】S275.6;TQ028.5+4水力旋流器是利用离心力分离固液两相流体的高效分离设备，其结构简单、操作方便、分离效率高、占地面积小，目前被广泛应用于农业灌溉、水利等领域的水沙分离处理。

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。

泥沙输运过程的数值模拟研究

泥沙输运过程的数值模拟研究泥沙输运是海洋、江河、湖泊等水域环境中的一个重要过程。

它涉及水的流体力学、泥沙的颗粒力学、水沙两相流动和相互作用等多学科知识，并且与水环境安全、水利工程设计等相关，因此引起了广泛的研究兴趣。

随着计算机软件的不断发展，数值模拟已成为研究泥沙输运过程的主要方式之一。

一、泥沙输运数值模拟研究的方法和技术泥沙输运数值模拟主要分为两种方法：一种是基于统计物理学的颗粒运动模拟方法，另一种是基于CFD（Computational Fluid Dynamics）的连续介质数值模拟方法。

基于统计物理学的颗粒运动模拟方法是将颗粒看作具有一定质量、形态和分布的排列物，并且基于牛顿力学原理，利用数值方法来求解其在过程中的运动状态，以期获得泥沙颗粒的分布、输运速度和输运规律等信息。

这种方法适用于细颗粒物质泥沙在水流/空气流的输运过程，例如海浪、波槽和海底环境下泥沙的输运过程。

基于CFD的连续介质数值模拟方法是将流体视为连续介质，采用同样的牛顿力学原理，通过对速度、压力和物质的输运过程进行数值求解，以期获得泥沙颗粒在水流/空气流中的输运规律和输运速度等信息。

这种方法适用于泥沙颗粒较大、占用流动空间相对较小的情况下，例如水坝泄洪、船舶航行和海岸线防护。

二、泥沙输运数值模拟研究的应用案例1.泥沙输运数值模拟在海岸防护中的应用随着人口的增加和城市化的进展，海岸防护工程越来越得到重视。

在过去，大多采用实体结构物来保护海岸线，这样往往会加剧泥沙的淤积和流动速度的变化，从而进一步影响海岸线的稳定性。

而采用数值模拟的方法来研究泥沙输运过程，则可以大幅度减少海岸防护工程的成本和对环境的影响，从而保护海岸线的稳定性。

2.泥沙输运数值模拟在水利工程设计中的应用水利工程设计中，了解泥沙在水体中的输运过程显得十分重要，因为这关系到水电站、水库和灌溉系统等工程的安全性和运行效率。

通过数值模拟的方法，可以定量分析水域中泥沙颗粒的输运规律，为工程设计提供依据。

气固两相流模拟技术的研究及应用

气固两相流模拟技术的研究及应用气固两相流模拟技术，是指模拟气体和固体颗粒同时运动的过程。

其应用场景非常广泛，比如化工制造领域中的气力输送、固体颗粒混合、喷雾干燥等过程，以及环境科学领域中的大气污染、沙尘暴等问题。

因此，气固两相流模拟技术的研究和应用具有重要的实际意义。

目前，气固两相流模拟技术主要采用计算流体力学（CFD）方法或离散元法（DEM）实现。

CFD方法主要基于对流方程，通过数值方法对流体动力学方程进行求解，得出流体的流速、压力等物理参数，以及气体与颗粒之间的相互作用力等参数。

DEM方法则主要基于颗粒运动力学原理，把物质看作是由相互作用的颗粒组成的离散体系，通过求解颗粒的受力情况，来计算颗粒之间的相互作用力、碰撞等参数。

虽然两种方法各有优缺点，但在处理气固两相流时，通常采用CFD-DEM耦合方法。

该方法主要是将CFD和DEM方法的数值模型进行耦合，实现同时对气体和颗粒的运动进行模拟，从而更加准确地模拟气固两相流动态过程。

在气固两相流模拟技术中，最关键的是气体与颗粒之间的相互作用力。

气体与颗粒之间的相互作用力可以分为两类：杆状作用力和碰撞作用力。

杆状作用力主要是指气体因速度梯度而对颗粒施加的作用力；碰撞作用力则是指颗粒之间或颗粒与壁面之间发生的碰撞，由此产生的反作用力。

在气固两相流模拟技术的应用中，最常见的是喷雾干燥领域。

喷雾干燥是指在高速气流中喷入悬浮颗粒，通过颗粒与气体的相互作用，使颗粒与气体之间的热量、质量交换，从而实现悬浮物质的干燥过程。

针对喷雾干燥的气固两相流模拟技术，通常采用CFD-DEM二元模型，考虑气固两相流的微观动力学过程，并通过模拟颗粒与气体之间的传热、传质等物理过程，来研究喷雾干燥的机理和优化干燥过程。

研究表明，采用气固两相流模拟技术可以更好地解释和深入研究喷雾干燥过程中颗粒的运动、热量传递和干燥效果等重要问题。

除了喷雾干燥领域之外，气固两相流模拟技术在环境科学领域，特别是大气环境领域也有重要的应用。

基于CFD-DEM的离心泵内部颗粒运动规律及磨损特性研究

基于CFD-DEM的离心泵内部颗粒运动规律及磨损特性研究现代工业中，离心泵在液体输送和排放中起着至关重要的作用。

然而，由于颗粒杂质的存在，离心泵内部的颗粒运动对其性能和寿命产生了重要影响。

为了深入研究离心泵内部颗粒的运动规律以及磨损特性，本文将采用计算流体动力学-离散元耦合模拟（CFD-DEM）方法进行研究。

首先，我们需要对颗粒运动过程进行建模。

在离心泵中，液体和颗粒之间的相互作用非常复杂。

我们将颗粒视为离散元，并利用离散元方法描述其力学行为。

然后，我们使用计算流体动力学方法对离散元模拟进行耦合，以模拟液体与颗粒之间的相互作用。

通过CFD-DEM耦合模拟，我们可以获得泵内颗粒的速度、位移、应力等相关参数，进一步研究其运动规律。

其次，我们将重点研究离心泵内部颗粒磨损特性。

在泵运行过程中，由于颗粒与泵壁的摩擦和相互碰撞，颗粒和泵壁表面都会发生磨损。

我们可以利用CFD-DEM模拟结果，计算颗粒与泵壁之间的摩擦力和碰撞能量，并进一步分析颗粒磨损的机制和规律。

通过对比不同运行条件下的磨损情况，可以深入了解颗粒运动对泵性能和寿命的影响。

最后，我们可以根据CFD-DEM模拟结果，提出相应的优化策略，以改善离心泵的运行效果和延长其使用寿命。

例如，可以通过优化液体流动方式和调整泵壁材料来减小颗粒与泵壁的接触，从而减少磨损。

另外，可以通过调节泵的运行参数，如转速和进口流量，来改变颗粒的运动状态，防止颗粒在泵内聚集和堵塞。

综上所述，基于CFD-DEM方法对离心泵内部颗粒运动规律及磨损特性进行研究，有助于深入理解离心泵在实际工作中的性能和寿命问题。

通过优化设计和运行参数，可以提高离心泵的工作效率和可靠性，减少维护成本，并推动离心泵在各个领域的广泛应用。

未来的研究还可以进一步拓展到其他类型的泵，如离心风机和离心压缩机，以推动离心泵领域的技术发展综上所述，通过基于CFD-DEM方法对离心泵内部颗粒运动规律及磨损特性的研究，可以深入了解离心泵在实际运行中面临的性能和寿命问题。

稠密颗粒两相流的cfd-dem耦合并行算法及数值模拟

稠密颗粒两相流的cfd-dem耦合并行算法及数值模拟CFD-DEM (Computational Fluid Dynamics-Discrete Element Method)是一种用于模拟稠密颗粒两相流的耦合算法。

在CFD-DEM耦合算法中，计算流体力学（CFD）模型用于描述流体相的流动行为，而离散元（DEM）模型用于描述颗粒相的运动行为。

CFD模型通过求解Navier-Stokes方程来预测流体相的速度场和压力场，而DEM模型通过模拟颗粒之间的相互作用来预测颗粒相的运动轨迹。

CFD-DEM耦合算法的基本思想是将两个模型进行交互计算，其中CFD模型提供给DEM模型流体相的速度场和压力场作为边界条件，而DEM模型提供给CFD模型颗粒相的运动轨迹作为物理参数。

通过迭代求解两个模型的方程组，最终得到稠密颗粒两相流的解。

在进行数值模拟时，需要考虑到大规模计算的复杂性和计算效率的问题。

一种常用的方法是采用并行算法来加速计算过程。

并行算法将计算任务分配给多个处理单元，同时进行计算，从而提高计算效率。

对于CFD-DEM耦合算法，可以将计算颗粒相的运动轨迹和计算流体相的速度场和压力场进行并行计算。

在数值模拟中，需要将流域划分成多个网格单元，使用CFD 方法求解流体相的速度场和压力场。

而对于颗粒相，可以将颗粒离散到多个计算单元中，使用DEM方法模拟颗粒的运动轨迹。

在每个时间步长，CFD模型和DEM模型之间通过数据交换进行信息传递，从而实现耦合计算。

通过并行算法和数值模拟，可以有效地模拟稠密颗粒两相流的行为。

这种方法对于研究颗粒的输运、堆积、混合等问题具有重要的应用价值。

同时，随着计算机硬件的不断发展，CFD-DEM耦合并行算法的计算性能也在不断提高，为更复杂的颗粒流动问题提供了更大的计算能力。

冲蚀磨损的数值模型研究分析

管理及其他M anagement and other 冲蚀磨损的数值模型研究分析马莹，文波摘要：机器管道、涡轮机叶片等机器关键部件受到气体、固体颗粒、浆料等的冲击，会造成大量的冲蚀磨损，降低材料的使用寿命与安全系数。

冲蚀磨损主要是受到固体颗粒、气-固、液-固等的冲击造成，如何能有效的评估冲蚀磨损情况，预测零件的使用寿命、选择合适的材料是研究的主要难题。

本文介绍了固体颗粒对材料的冲蚀磨损机制，并引入了固体颗粒的入射角、速度、冲蚀时间、性能、温度和靶材性能等因素，分别对冲蚀磨损情况进行总结。

文章采用优化方法进行建模，克服现有实验的难点，提升材料研究周期，降低研究成本。

本文介绍了国内外冲蚀磨损数值模拟研究现状，选择Johnson-Cook模型作为材料的本构模型和失效模型，讲述了不同种情况下单粒子和多粒子的冲蚀模拟研究，并对冲蚀磨损下一阶段研究工作方向和存在的问题进行了阐述。

关键词：冲蚀磨损；性能特点；有限元数学建模；FEM生活中存在着各种摩擦，而摩擦必然会导致磨损。

冲蚀磨损是一种常见的磨损现象，广泛存在于自然界和社会生产生活中。

比如在采矿机器的气动输送管道中，物料对管道壁的磨损，尤其是弯头处更为严重；或者炼钢炉输气管道被燃烧的灰尘冲蚀；喷砂机的喷嘴受到砂粒的冲蚀；还有航空飞机涡轮盘受到风沙等砂粒的冲刷磨损等等。

据统计，冲蚀磨损约占总磨损的8%。

而在管道输送物料过程中，弯头处的冲蚀磨损占直通部分磨损的50倍；在对锅炉管道的失效分析中，约有1/3的管道事故是由冲蚀磨损引起的。

此外，在航空飞机起飞或降落以及风沙多发地区低空飞行时，发动机的热端部位如涡轮盘会遭受到超高速、小粒径的较低通量冲刷磨损，此种情况下的运行温度可达550℃至900℃，被称为高温高速冲刷磨损。

因此，冲蚀磨损在工业生产中造成了严重的损失和危害。

因此，对冲蚀磨损机理进行分析，并对材料所受的磨损情况进行预估研究非常重要。

冲蚀磨损是指材料在受到小而松散的流动颗粒冲击时表面发生破坏的磨损现象。

基于CFD-DEM的流-固耦合数值建模方法研究进展

基于CFD-DEM的流-固耦合数值建模方法研究进展
蔡国庆;刁显锋;杨芮;王北辰;高帅;刘韬
【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》
【年(卷),期】2024(56)1
【摘要】随着土体渗流侵蚀研究的逐渐深入,对土颗粒流失和变形破坏机理的研究方法呈现出多尺度的特点。

其中,计算流体力学-离散元耦合方法(CFD-DEM)为在细观尺度上研究流-固耦合相互作用对土体宏观力学特性的影响提供了一种行之有效的方法。

针对CFD-DEM耦合方法在岩土工程领域应用现状,本文系统总结现有流-固耦合计算方法的优缺点,重点论述CFD-DEM耦合方法的建模策略,包括固相颗粒形状建模与粒间接触模型、流体相控制方程及参数计算方法,以及CFD-DEM 耦合计算,并就相关问题进行深入探讨,最后提出了CFD-DEM耦合方法未来的发展方向。

【总页数】16页(P17-32)
【作者】蔡国庆;刁显锋;杨芮;王北辰;高帅;刘韬
【作者单位】城市地下工程教育部重点实验室(北京交通大学);北京交通大学土木建筑工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU443
【相关文献】
1.基于CFD-DEM耦合的磨粒流微小孔加工数值分析与试验
2.一种CFD-DEM流固耦合方法在渗流导致城市地面沉降问题中的应用
3.复杂摘棉气力输送系统流固耦合数值建模与流场分析
4.基于CFD-DEM的旋流式固液两相流泵数值模拟与试验研究
5.基于CFD-DEM耦合数值模拟的迷宫流道水沙运动规律研究
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cfddem耦合接口编译

CFDDem耦合接口编译1. 介绍CFDDem（Computational Fluid Dynamics DEM）是一种耦合了计算流体力学（CFD）和离散元（DEM）方法的数值模拟技术。

该技术可以用于模拟颗粒与流体之间的相互作用，广泛应用于颗粒流、气固流、泥浆流等领域的研究。

在CFDDem中，耦合接口编译是一个关键步骤，它将CFD和DEM两个不同的数值模型进行有效地耦合，并确保模拟结果的准确性和稳定性。

本文将详细介绍CFDDem耦合接口编译的相关内容，包括编译过程、关键技术和应用实例等。

2. 编译过程CFDDem耦合接口编译主要包括以下几个步骤：2.1 确定接口类型首先需要确定CFD和DEM之间的接口类型。

常见的接口类型有两种：基于物理场变量的直接耦合接口和基于人工力的间接耦合接口。

基于物理场变量的直接耦合接口通过求解Navier-Stokes方程和运动方程来实现CFD和DEM之间的相互作用。

这种接口能够较准确地描述颗粒与流体之间的相互作用，但计算量较大。

基于人工力的间接耦合接口通过引入额外的力项来模拟颗粒对流体的作用。

这种接口计算量较小，但对于某些特殊情况下的相互作用描述可能不够准确。

2.2 接口代码开发根据确定的接口类型，需要开发相应的接口代码。

接口代码主要包括两部分：CFD模型中与DEM相关的代码和DEM模型中与CFD相关的代码。

在CFD模型中，需要添加颗粒对流体的作用力项，并将该力项添加到Navier-Stokes方程中进行求解。

在DEM模型中，需要添加流体对颗粒的作用力项，并将该力项添加到运动方程中进行求解。

编写接口代码时需要考虑数据传递和计算效率等因素，以保证耦合过程的稳定性和高效性。

2.3 接口编译完成接口代码开发后，需要进行编译操作。

编译过程主要包括以下几个步骤：•配置编译环境：安装所需的编译器和相关库文件，并进行环境配置。

•检查依赖关系：检查接口代码中的依赖关系，确保所需的库文件和头文件已正确配置。

基于CFD-DEM的固液分级过滤模拟

文章编号：1006-3080(2022)05-0591-09DOI: 10.14135/ki.1006-3080.20210506010基于CFD-DEM 的固液分级过滤模拟赵钟杰，张建鹏，唐艳玲，肖桐，黄子宾，程振民（华东理工大学化学工程联合国家重点实验室，上海 200237）摘要：采用计算流体力学(CFD)和离散单元法(DEM)耦合的方法，在不同滤层结构的三维随机堆积颗粒层过滤器内进行固液分级过滤的数值模拟研究。

实验结果表明，过滤效率的模拟计算值与实验值吻合良好，压降值的偏差在Ergun 方程允许误差范围内。

过滤器的容垢能力用计算模型的颗粒沉积均匀度表示，并拟合得到沉积均匀度的关联式。

颗粒沉积分布的模拟结果显示：单层细滤料过滤器的颗粒沉积主要发生在近入口处，容垢能力较低；分级过滤器的细滤料层保证了高过滤效率，粗滤料层则提供了较大的容垢能力。

关键词：CFD-DEM ；分级过滤；固液分离；容垢量；沉积分布中图分类号：TQ 028.5; TQ 015.9文献标志码：A颗粒层过滤作为一种低成本的分离方式被人们广泛关注，并应用于烟气除尘、水处理、油浆净化等领域[1-3]。

研究者们总结了包括惯性碰撞、拦截和扩散等在内的基本颗粒层过滤机理，得出了过滤性能与流速、粒径、床层深度等因素有关的结论[4-6]。

Zamani 等[7]归纳了颗粒层过滤的微观和宏观模型，这些模型的应用范围是非普适性的，均存在各自的缺点：如宏观经验模型无法揭示内部过滤机理；随机模型无法计算过滤效率；迹线模型无法计算过滤压降等。

由于上述模型应用的局限性，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics ，CFD)和离散单元法(Discrete Element Method ，DEM)耦合模拟的方法被许多研究者所重视，并被应用于过滤研究。

Qian 等[8]利用随机算法构建了三维纤维过滤器模型，并采用CFD -DEM 耦合方法研究不同气速和空隙率下的气溶胶过滤性能。

《A类颗粒气固流态化过程的CFD-DEM模拟》

《A类颗粒气固流态化过程的CFD-DEM模拟》一、引言在过去的几十年里，气固流态化过程在许多工业应用中发挥着至关重要的作用，包括化学反应、物料混合、干燥和冷却等过程。

然而，理解其复杂多变的流体力学行为和混合现象仍面临挑战。

近年来，随着计算流体动力学（CFD）和离散元素法（DEM）的发展，计算机模拟成为研究这一领域的重要工具。

本文旨在研究A类颗粒在气固流态化过程中的行为，通过CFD-DEM模拟来分析其动态特性和流动行为。

二、CFD-DEM模拟方法CFD-DEM是一种耦合计算流体动力学和离散元素方法的模拟方法，适用于模拟颗粒在流体中的复杂运动。

在CFD部分，通过求解流体动力学方程来描述流体的流动行为。

而在DEM部分，通过考虑颗粒间的相互作用和颗粒的物理特性（如形状、大小和材料属性）来模拟颗粒的运动。

三、A类颗粒气固流态化过程模拟在本研究中，我们采用CFD-DEM方法对A类颗粒的气固流态化过程进行模拟。

首先，我们构建了模拟的物理模型，并设定了合适的边界条件和初始条件。

然后，我们通过CFD模块来模拟流体的流动行为，通过DEM模块来模拟颗粒的运动和相互作用。

在模拟过程中，我们重点关注了颗粒的流态化过程、颗粒间的碰撞行为以及颗粒的分布状态。

通过模拟结果，我们可以观察到颗粒在气流作用下的运动轨迹和运动速度的变化，以及颗粒间的碰撞过程。

同时，我们还关注了流态化过程中颗粒的分布状态和空间结构的变化。

四、结果与讨论通过对A类颗粒气固流态化过程的CFD-DEM模拟，我们得到了丰富的结果。

首先，我们发现颗粒在气流作用下的运动轨迹受到多种因素的影响，如颗粒大小、气流速度和方向等。

其次，我们观察到颗粒间的碰撞行为对流态化过程具有重要影响，它影响着颗粒的分布状态和空间结构。

此外，我们还发现气流速度和压力的变化对流态化过程的稳定性有显著影响。

与已有实验研究相比，我们的CFD-DEM模拟结果具有较好的一致性。

同时，我们也注意到在实际工业过程中，可能会存在其他因素对流态化过程产生影响，如温度、湿度和颗粒间的相互作用力等。

基于cfd-dem耦合模拟的圆柱局部冲刷研究

ABSTRACTThe sediment incipience, transport and local scour in the case of complex flows are the hot research topic in river and coastal engineering all the time. The traditional theory in which only the mean bed shear stress or sediment carrying capacity formula is considered to study sediment transport and scour is not suitable in the case of complex flows containing turbulence and large-scale vortices. With the rapid development of discrete element method, it has developed fast to use numerical model to investigate this problem from the mesoscale view, which may reveal the mechnasim of sediment motion in the case of complex flows. Using computational fluid dynamics software OpenFOAM and particle motion simulation software LIGGGHTS, a coupled fluid-particle model, in which the flow field is simulated by LES model, is presented and applied in the investigation of sediment incipience, transport and local scour.The main contents and results of this thesis are as follows.(1) The characteristics of the flow around the cylinder are studied through the dynamic one-equation LES model, the velocity profile, leeward of the cylinder and the pressure distribution are analyzed. The simulated results are verified by comparion between RNGκε-numerical results and experimental results. The simulation results show that the dynamic one-equation LES model can describe the complex flows around cylinder and the pressure distribution better.(2) The coupled fluid-particle model is applied in the investigation of three dimensional turbulence, sediment incipience and the sediment transport at the downstream of the backward-facing step flow. The model describes the mean velocity profile, the turbulence intensity and the distribution of Reynold stress well. The probabilitv of sediment incipience and the sediment flux obtained by the coupled model at the downstream of the backward-facing step agree well with the experiment. The results indicate that the turbulence and large-scale vortices induce the sediment incipience and the mean flow contributes to its transport in the case of complex flows.(3) The coupled fluid-particle model is used to verify the sediment motion and simulate the scour around the cylinder, and the scour process and depth are analyzed. The variation of flow velocity, turbulent kinetic energy and vorticity developmentduring scouring are studied. The results reveal that the horseshoe vortex and the accelerating flow contribute dominantly to local scour in front of the cylinder while the turbulent fluctuation and wake vortex results in the scour developmentbehind the cylinder.KEY WORDS：CFD-DEM coupling model, Dynamic one-equation LES model, Complex flows, Sediment transport, Local scour目录摘要 (I)ABSTRACT (II)目录 (IV)第1章绪论 (1)1.1 研究背景与意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.2.1 圆柱绕流问题研究 (2)1.2.2 泥沙输运及冲刷问题研究 (3)1.2.3 DEM在颗粒流体耦合运动中的应用 (5)1.3 本文主要研究内容 (7)第2章CFD-DEM耦合模型 (8)2.1 流体控制方程及紊流模型 (8)2.1.1 流体控制方程 (8)2.1.2 紊流模型 (8)2.1.3 数值离散方法 (10)2.2 颗粒运动数学模型 (11)2.2.1 运动控制方程 (11)2.2.2 接触模型 (12)2.2.3 计算时间步长 (14)2.3 CFD-DEM耦合模型 (15)2.3.1 耦合模型控制方程 (15)2.3.2 流体颗粒相互作用力 (16)2.3.3 耦合计算过程 (18)2.4 本章小结 (18)第3章三维水流模型验证 (19)3.1 模型设置 (19)3.1.1 算例设计及边界条件 (19)3.1.2 明渠流模拟 (20)3.2 流场结果验证及分析 (21)3.3 压力结果验证及分析 (32)3.4 本章小结 (34)第4章复杂流动下的泥沙运动模拟研究 (35)4.1 后台阶流场模拟 (35)4.1.1 时均流速剖面验证 (36)4.1.2 紊动强度及雷诺应力验证 (37)4.2 泥沙起动概率验证 (38)4.2.1 模型设置 (38)4.2.2 结果验证及分析 (39)4.3 泥沙输运模拟研究 (42)4.3.1 算例设置 (42)4.3.2 结果分析 (43)4.4 本章小结 (45)第5章圆柱周围局部冲刷模拟研究 (47)5.1 模型设置及验证 (47)5.2 局部冲刷数值模拟 (50)5.2.1 算例设置 (50)5.2.2 冲刷过程随时间变化 (51)5.2.3 冲刷坑深度分析 (52)5.3 冲刷过程流动特性变化 (53)5.3.1 流速分布变化 (53)5.3.2 紊动能变化 (58)5.3.3 涡量场变化 (60)5.3.4 局部冲刷机制分析 (61)5.4 本章小结 (62)第6章结论与展望 (63)6.1 本文主要结论 (63)6.2 工作展望 (64)参考文献 (65)发表论文和参加科研情况说明 (72)致谢 (73)第1章绪论1.1研究背景与意义水工结构物如桥墩、桩柱等处在易受侵蚀床面上时，在水流持续作用下，其周围的水流流动呈现出强烈的紊动特征，并将改变周围床面的泥沙输运能力，从而引起建筑物周围局部地形变化即“局部冲刷”。

基于CFD-DEM耦合模型的大粒径非常规岩屑颗粒运移规律研究

基于CFD-DEM耦合模型的大粒径非常规岩屑颗粒运移规律研究邵兵;闫怡飞;毕朝峰;闫相祯【摘要】采用CFD-DEM耦合计算模型,利用DEM软件建立大粒径(2 cm)、非球体岩屑颗粒的离散元模型,与FLUENT实现无缝耦合并行计算,颗粒间相互作用采用Hertz-Mindlin弹性接触模型,对大粒径的、非常规岩屑颗粒在水平井段的运移规律进行了数值模拟计算.基于钻井实测数据,建立水平井段环空内含不同形状(片状,立方体状及球状)相同等效球体粒径颗粒的计算模型,展示了井眼环空内颗粒运移、沉积状态,对环空钻井液流速、不同形状的岩屑颗粒运移速度进行了计算分析,本文还计算得到片状大粒径岩屑含量对钻井液携岩效果的影响规律.结果显示:2 cm等效体积球体粒径的颗粒在井眼环空内的运移状态较差,出现局部堆积;立方体状颗粒的运移效果最差,片状颗粒次之;在所选用计算条件下,片状颗粒含量大于10％时会加剧削弱携岩效果.计算结果可对钻井携岩问题的研究提供一定的参考价值.%By a CFD-DEM coupled simulation model,within which the discrete element model for non-spherical cuttings in size of 2 cm is built by a DEM software and is coupled with FLUENT,numerical computation is conducted on the migration of irregular and big-sized cuttings in the horizontal part of a well.The Hertz-Mindlin model for particles contact is adopted to simulate the elastic force among paritlces.From the practical data,an annulus model for the horizontal part of a drilling well is built with big-sized particles in various shapes,where platy,cubic and spherical particles with same equivalent volume sphere diameter are included.The migrating and depositing of cuttings in well annulus space are displayed.The flow velocityof drilling fluid,migrating velocity of the particles and the impact effect of the particle on the well-wall are obtained and discussed.Additionally,the effects from the content of the platy cuttings on the carrying ability of the drilling fluid is also studied.The results show,for particles in 2cm equivalent volume sphere diameter,local deposition appears.The migration of the cubic particles behaves most poorly and impacts the well-wall hardest while the behavior of the platy particles takes the second place.In the chosen conditions,the carrying ability of the fluid on the platy cuttings decreases much faster when the content is over 10％.What is got in this paper can be kind of reference value for the further study on the cuttings-carrying in drilling engineering.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2017(017)027【总页数】6页(P190-195)【关键词】CFD-DEM;大粒径岩屑;非常规颗粒;岩屑运移;耦合计算【作者】邵兵;闫怡飞;毕朝峰;闫相祯【作者单位】中国石油大学机电工程学院,青岛266580;中国石油大学机电工程学院,青岛266580;海洋石油工程(青岛)有限公司,青岛266555;中国石油大学储运与建筑工程学院,青岛266580【正文语种】中文【中图分类】TE243钻井过程中由于各种原因会产生一定量的大粒径岩屑颗粒，而大粒径岩屑颗粒不仅会进一步加强对钻杆、井壁的冲蚀破坏，而且更容易形成岩屑的局部堆积，造成一系列诸如卡钻等复杂的井下事故[1,2]。

一种基于DEM-CFD耦合的渗透注浆过程模拟方法及系统[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011130595.4(22)申请日 2020.10.21(71)申请人山东大学地址 250061 山东省济南市历下区经十路17923号(72)发明人周宗青　白松松　林春金　高成路　屠文锋　魏车车　王超　王美霞　陈雨雪　(74)专利代理机构济南圣达知识产权代理有限公司 37221代理人李琳(51)Int.Cl.G06F 30/28(2020.01)(54)发明名称一种基于DEM-CFD耦合的渗透注浆过程模拟方法及系统(57)摘要本发明提供了一种基于DEM ‑CFD耦合的渗透注浆过程模拟方法及系统，所述方法包括：获取岩土体颗粒级配曲线；根据所述颗粒级配曲线生成岩土体计算模型；获取平行粘结键初始参数，对岩土体计算模型的强度进行初始化；对岩土体计算模型信息网格划分，生成流体计算网格；根据流体计算网格的渗透系数及流体粘度的时空特性，进行浆液扩散过程的模拟。

本发明能够考虑岩土体和浆液之间的相互作用，实现渗透注浆过程的真实模拟。

权利要求书2页说明书5页附图3页CN 112347709 A 2021.02.09C N 112347709A1.一种基于DEM-CFD耦合的渗透注浆过程模拟方法，其特征在于，包括：获取岩土体颗粒级配曲线；根据所述颗粒级配曲线生成岩土体计算模型；获取平行粘结键初始参数，对岩土体计算模型的强度进行初始化；对岩土体计算模型信息网格划分，生成流体计算网格；根据流体计算网格的渗透系数及流体粘度的时空特性，进行浆液扩散过程的模拟。

2.如权利要求1所述的一种基于DEM-CFD耦合的渗透注浆过程模拟方法，其特征在于，流体计算网格的渗透系数根据网格的孔隙率计算。

3.如权利要求1所述的一种基于DEM-CFD耦合的渗透注浆过程模拟方法，其特征在于，流体粘度根据注浆时间、浆液扩散边界距注浆孔距离计算。

基于CFD-DEM的盾构泥浆管道排渣特性参数影响规律研究

基于CFD-DEM的盾构泥浆管道排渣特性参数影响规律研究刘晓明;李维;黄川;宋孝贺;蔡鸿
【期刊名称】《机床与液压》
【年(卷),期】2024(52)1
【摘要】盾构用泥水循环系统排渣时,其排渣特性直接影响排渣效率,进而影响盾构的施工效率。

针对实际工程施工中,泥浆管道的排渣过程不能直接观察,内部泥浆和岩渣的运动规律也不明确的问题,以广州地铁7号线三模式盾构地铁隧道施工为背景,采用CFD-DEM耦合方法建立管道泥浆和岩渣耦合的数值仿真模型,通过单因素影响实验方法,分析泥浆流速、密度、黏度及管道直径等泥水循环系统关键参数对泥浆管道排渣特性的影响规律。

结果表明:岩渣颗粒在管道中的运动形态大部分为在管道底部做推移运动,经过弯管部分时会对弯管外侧造成冲击,泥浆经过弯管时在内弯管处流速增大;随着泥浆流速、泥浆黏度的增加与管道直径的减小,泥浆压力损失以二次方的形式增加,泥浆压力损失随着泥浆密度的增加而线性增加。

【总页数】7页(P161-167)
【作者】刘晓明;李维;黄川;宋孝贺;蔡鸿
【作者单位】广州地铁集团有限公司;中铁(广州)投资发展有限公司;中铁隧道集团三处有限公司;西南交通大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】U455
【相关文献】
1.浅析泥浆性能与状态对排渣和清渣的影响
2.基于CFD-DEM的小白菜排种器排种特性及充种性能研究
3.泥水盾构泥浆泵选型关键参数规律性研究
4.基于CFD-DEM方法的泥水盾构环流系统泥浆携渣特性研究
5.基于CFD-DEM耦合数值模拟的垂直管道气力输送流型特性研究
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