EDEM-Fluent耦合学习笔记(1)——常用CFD-DEM耦合方法

2020-02-13 09:21发布

  由颗粒物质与流体(气体、液体)组成的混合系统一般称为颗粒多相流系统。在研究初期,人们对该类系统知之甚少,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表示系统,揭示规律,该方法一般称为欧拉-欧拉方法。由于该方法本身的局限性,不能够表征颗粒级别上的各种属性,如颗粒的形状、粒径分布、相互碰撞和运动轨迹等,而这些属性往往对颗粒系统的运动有至关重要的作用。基于欧拉方法描述流体相,拉格朗日方法描述颗粒相的仿真方法为解决上述问题提供了新的途径。随着计算技术的发展,基于拉格朗日方法的流体模拟方法逐渐得到发展,并产生了拉格朗日-拉格朗日方法的颗粒多相流模拟方法。但由于拉格朗日方法理论研究的成熟程度及在某些应用场景的限制影响,此类方法有待进一步的深入研究。

  依托于欧拉方法在流体模拟中较为完善的仿真技术,欧拉-拉格朗日方法针对不同的工况及研究需求,发展出了多种研究方法,如下图所示。

                                              

                                                                       图[1]      颗粒多相流仿真分析方法

  直接数值模拟方法(DNS),是将每个颗粒的表面作为流体域内的壁面进行处理的方法。该方法基于完全的欧拉方法进行流体动力学计算,能够精确模拟两相的相互作用。但由于颗粒相运动处理、颗粒碰撞处理、动网格处理及网格数量等技术因素,导致此方法难以模拟大规模的仿真模型。

  离散相模型(DPM),将颗粒作为一个质点进行处理,不考虑颗粒间的碰撞及颗粒在流体中所占的体积分数。该方法建模与计算效率较快,但仅仅适用于颗粒体积分数非常低的情况,适用于稀相流模拟。

  计算颗粒流体力学方法(CPFD),该方法采用MP-PIC方法对颗粒相进行处理,能够模拟稀-密大跨度范围的多相流系统。CPFD方法仅适用于流化态的颗粒多相流系统,主要是由于颗粒间的碰撞采用模化的方式处理,仍然不能准确计算颗粒间的碰撞作用。

  离散元方法CFD-DEM),DEM方法能够准确分析颗粒的形状、级配等因素对颗粒间的相互接触与作用过程的影响,模拟颗粒的运动与受力。结合流体力学,能够准确分析颗粒相与流体相的相互作用过程。基于DEM法的特点,该方法适用于模拟颗粒间具有复杂力学特性的工况,如颗粒团聚、颗粒破碎、接触换热等等。


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