流体 颗粒系统数值模拟的EDEM Fluent解决方案

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。
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
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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；
¾ 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。
3.1 DEM 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：
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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
EDEM 是世界上第一个基于最先进的离散元方法（DEM——Discrete 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
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