CFD专栏丨为什么需要CFDDEM耦合方法分析颗粒两相流？

　　什么是颗粒两相流？
　　颗粒-流体两相流在许多行业中都会遇到，包括能源、农业、采矿、食品、制药等。
　　他的特点是：颗粒（离散相）被气体或液体（连续相）夹带和输运。颗粒和流体介质之间存在质量，动量和能量传递，而且颗粒之间，颗粒和固体壁面也发生碰撞。
　　模拟颗粒流的数值方法
　　颗粒相和流体相可以在不同的长度尺度上模拟，通常分为2类：宏观方法 （连续介质）和微观方法 （离散介质）
　　Fluid - Resolved Euler （Marco）  Solid - lagrange（micro）
　　DNS - DEM
　　计算代价极其昂贵
　　Fluid - Unresolved Euler（Macro）  Solid - lagrange（Micro）
　　CFD-DEM
　　相对精确，计算代价中等
　　Fluid - Euler（Macro）   Solid - Euler（Macro）
　　TFM
　　精度不高
　　什么是DEM方法？
　　DEM离散单元法，就是指每个单元都是离散的，有独立特性的，也就我们常见的颗粒状物料 。
　　离散元法的核心思想就是在拉格朗日坐标体系下，针对每个颗粒进行检索，计算由于接触产生的力，再运用牛顿第二定律进行计算颗粒的加速度/速度和位移的变化，进而得到整个系统的状态。
　　为什么我们需要CFD+DEM 的耦合方法？
　　CFD-DEM可模拟颗粒-颗粒之间，颗粒-容器之间的碰撞 可模拟颗粒在流体介质中的堆积和分离现象 可模拟颗粒和流场的相互影响 可追踪单独或一群颗粒的在流场中的运动轨迹 可计算颗粒受到的流体力
　　CFD+DEM耦合方法的控制方程
　　流体相
　　Continuity equation:
　　Momentum equation:
　　Energy equation:
　　颗粒相
　　Newton’s second law of motion (translation):
　　Euler’s second law of motion (rotation):
　　Energy equation (particle):
　　Altair® AcuSolve® 和EDEM耦合的特点
　　颗粒的尺寸可以远远大于CFD的网格尺寸。  支持球形/非球形的颗粒，例如不规则形状的石头在水中的沉降过程。  可模拟能量耦合，例如热的颗粒被空气冷却  CFD动网格模拟刚体运动，例如颗粒通过振动的筛子或旋转的风扇叶片。  可模拟传质现象，例如在颗粒表面镀液膜(coating)，或湿颗粒的干燥。  CFD和DEM的模型均支持GPU加速计算，对大模型有显著加速效果。
　　AcuSolve和EDEM耦合的三种方法
　　通常可以认为稀疏相的粒子不影响流场，用单向耦合就足够了，计算代价小。
　　如颗粒是密相，颗粒总体积/流体体积远大于千分之一，则考虑双向耦合。当然这也不是绝对的，主要是看颗粒的存在有没有显著的影响流场。
　　第一种方法：单向稳态耦合
　　颗粒的存在几乎不影响流场。AcuSolve先完成流场计算后，将稳态结果导出给EDEM即可。 EDEM接着计算颗粒在稳定流场下的运动轨迹。
　　CFD稳态流场
　　颗粒运动的动画
　　第二种方法：单向瞬态
　　颗粒的存在几乎不影响流场。但是 CFD的模型参数可以随时间变化，例如流量，压力，物性参数等等。AcuSolve和EDEM需同时求解，AcuSolve只负责数据发送，EDEM只负责数据接收。
　　入口空气流量随之变化
　　CFD流场动画
　　颗粒运动的动画
　　第三种方法：双向瞬态耦合
　　颗粒的存在显著影响流场。AcuSolve和EDEM需同时求解，在CFD每个迭代步结束的时刻交换流体的速度、压力、温度以及颗粒的位置信息。EDEM的模型时间步长通常在1e-5秒的量级。因此在acuSolve每个时间步长中（通常是0.001~0.01秒量级），EDEM已经进行了多轮的迭代。
　　CFD瞬态流场动画
　　颗粒运动的动画
　　下面我们看几个AcuSolve和EDEM耦合仿真的例子。
　　案例：农业机械
　　联合收割机 采用气流和筛子相互配合的清选方式。谷粒混合物在筛子中振动，轻的杂质靠气流被吹走，重的杂质由尾筛排除，谷粒通过筛孔进入粮仓。清选室的气流分布对整个筛选效率有重要影响。
　　联合收割机原理图（图片来自网络）
　　联合收割机产品图（图片来自网络）
　　CFD模型：清选室的风速
　　EDEM：清选室的谷粒运动
　　案例：旋风分离器
　　旋风分离器 ，是用于颗粒分离的一种设备。工作原理为靠气流切向引入造成的旋转运动，使具有较大惯性离心力的固体颗粒或液滴甩向外壁面分开。
　　入口风速13.4 m/s，3000 个颗粒，双向耦合
　　CFD瞬态流场动画
　　颗粒运动的动画
　　案例：化工设备
　　流化床 ，是一种利用流体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。
　　底部风速2.5m/s，24750个颗粒，双向瞬态耦合
　　制粒机 ，搅拌桨的旋转速度确保运动产生涡流，物料充分混合。同时，粒-刀处交汇区域对翻腾的物料团充分打碎成颗粒。搅拌桨与制粒刀的旋转速度能使物料产生三维运动，颗粒产生碰撞、磨擦、剪切，使其磨擦均匀、细致，最后形定稳定球状颗粒。
　　入口速度2m/s，旋转速度600rpm，5900个颗粒，双向瞬态耦合
　　案例：食品、制药行业
　　气力输送 是利用气流的能量，在密闭管道内沿气流方向输送颗粒状物料，是流态化技术的一种具体应用。主要特点是输送量大，输送距离长，输送速度较高；能在一处装料，然后在多处卸料。
　　入口速度15 m/s，一百万粒子，双向耦合
　　颗粒的气力运输
　　医用干粉吸入器 ，可用于模拟干粉药物输送到呼吸道的过程，并识别颗粒积聚的区域。模拟颗粒积聚和吸入器效率。
　　空气体积流量(50 L/min) ，5000 个颗粒
　　单向稳态耦合
　　单向瞬态耦合
　　双向瞬态耦合
　　案例：工业设备
　　叶片泵模型 ，泵送带有颗粒的液体，双向耦合。
　　生产线喷涂和干燥过程 ，在密闭腔体中向固体表面喷射低温液滴，环境是高温空气
　　VolumeAdded参数查看固体表面有多少水分。当开始喷涂时，颗粒表面水分（ VolumeAdded ）增加。一旦停止喷射，涂层开始干燥，水分又逐渐减小。
　　案例：家电
　　真空吸尘器 ，模拟长条形状的杂物被负压吸入清扫的过程。
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