什麼是顆粒兩相流？
顆粒-流體兩相流在許多行業中都會遇到，包括能源、農業、采礦、食品、制藥等。
他的特點是：顆粒（離散相）被氣體或液體（連續相）夾帶和輸運。顆粒和流體媒體之間存在品質，動量和能量傳遞，而且顆粒之間，顆粒和固體壁面也發生碰撞。
模拟顆粒流的數值方法
顆粒相和流體相可以在不同的長度尺度上模拟，通常分為2類：宏觀方法（連續媒體）和微觀方法（離散媒體）
Fluid - Resolved Euler （Marco） Solid - lagrange（micro）
DNS - DEM
計算代價極其昂貴
Fluid - Unresolved Euler（Macro） Solid - lagrange（Micro）
CFD-DEM
相對精确，計算代價中等
Fluid - Euler（Macro） Solid - Euler（Macro）
TFM
精度不高
什麼是DEM方法？
DEM離散單元法，就是指每個單元都是離散的，有獨立特性的，也就我們常見的顆粒狀物料。
離散元法的核心思想就是在拉格朗日坐标體系下，針對每個顆粒進行檢索，計算由于接觸産生的力，再運用牛頓第二定律進行計算顆粒的加速度/速度和位移的變化，進而得到整個系統的狀态。
為什麼我們需要CFD+DEM 的耦合方法？
CFD-DEM
- 可模拟顆粒-顆粒之間，顆粒-容器之間的碰撞
- 可模拟顆粒在流體媒體中的堆積和分離現象
- 可模拟顆粒和流場的互相影響
- 可追蹤單獨或一群顆粒的在流場中的運動軌迹
- 可計算顆粒受到的流體力
CFD+DEM耦合方法的控制方程
流體相
Continuity equation:
Momentum equation:
Energy equation:
顆粒相
Newton’s second law of motion (translation):
Euler’s second law of motion (rotation):
Energy equation (particle):
Altair® AcuSolve® 和EDEM耦合的特點
- 顆粒的尺寸可以遠遠大于CFD的網格尺寸。
- 支援球形/非球形的顆粒，例如不規則形狀的石頭在水中的沉降過程。
- 可模拟能量耦合，例如熱的顆粒被空氣冷卻
- CFD動網格模拟剛體運動，例如顆粒通過振動的篩子或旋轉的風扇葉片。
- 可模拟傳質現象，例如在顆粒表面鍍液膜(coating)，或濕顆粒的幹燥。
- CFD和DEM的模型均支援GPU加速計算，對大模型有顯著加速效果。
AcuSolve和EDEM耦合的三種方法
通常可以認為稀疏相的粒子不影響流場，用單向耦合就足夠了，計算代價小。
如顆粒是密相，顆粒總體積/流體體積遠大于千分之一，則考慮雙向耦合。當然這也不是絕對的，主要是看顆粒的存在有沒有顯著的影響流場。
第一種方法：單向穩态耦合
- 顆粒的存在幾乎不影響流場。AcuSolve先完成流場計算後，将穩态結果導出給EDEM即可。
- EDEM接着計算顆粒在穩定流場下的運動軌迹。
CFD穩态流場
顆粒運動的動畫
第二種方法：單向瞬态
- 顆粒的存在幾乎不影響流場。但是 CFD的模型參數可以随時間變化，例如流量，壓力，物性參數等等。
- AcuSolve和EDEM需同時求解，AcuSolve隻負責資料發送，EDEM隻負責資料接收。
入口空氣流量随之變化
CFD流場動畫
顆粒運動的動畫
第三種方法：雙向瞬态耦合
- 顆粒的存在顯著影響流場。AcuSolve和EDEM需同時求解，在CFD每個疊代步結束的時刻交換流體的速度、壓力、溫度以及顆粒的位置資訊。
- EDEM的模型時間步長通常在1e-5秒的量級。是以在acuSolve每個時間步長中（通常是0.001~0.01秒量級），EDEM已經進行了多輪的疊代。
CFD瞬态流場動畫
顆粒運動的動畫
下面我們看幾個AcuSolve和EDEM耦合仿真的例子。
案例：農業機械
聯合收割機采用氣流和篩子互相配合的清選方式。谷粒混合物在篩子中振動，輕的雜質靠氣流被吹走，重的雜質由尾篩排除，谷粒通過篩孔進入糧倉。清選室的氣流分布對整個篩選效率有重要影響。
聯合收割機原理圖（圖檔來自網絡）
聯合收割機産品圖（圖檔來自網絡）
CFD模型：清選室的風速
EDEM：清選室的谷粒運動
案例：旋風分離器
旋風分離器，是用于顆粒分離的一種裝置。工作原理為靠氣流切向引入造成的旋轉運動，使具有較大慣性離心力的固體顆粒或液滴甩向外壁面分開。
入口風速13.4 m/s，3000 個顆粒，雙向耦合
CFD瞬态流場動畫
顆粒運動的動畫
案例：化工裝置
流化床，是一種利用流體通過顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運動狀态，并進行氣固相反應過程或液固相反應過程的反應器。
底部風速2.5m/s，24750個顆粒，雙向瞬态耦合
制粒機，攪拌槳的旋轉速度確定運動産生渦流，物料充分混合。同時，粒-刀處交彙區域對翻騰的物料團充分打碎成顆粒。攪拌槳與制粒刀的旋轉速度能使物料産生三維運動，顆粒産生碰撞、磨擦、剪切，使其磨擦均勻、細緻，最後形定穩定球狀顆粒。
入口速度2m/s，旋轉速度600rpm，5900個顆粒，雙向瞬态耦合
案例：食品、制藥行業
氣力輸送是利用氣流的能量，在密閉管道内沿氣流方向輸送顆粒狀物料，是流态化技術的一種具體應用。主要特點是輸送量大，輸送距離長，輸送速度較高；能在一處裝料，然後在多處卸料。
入口速度15 m/s，一百萬粒子，雙向耦合
顆粒的氣力運輸
醫用幹粉吸入器，可用于模拟幹粉藥物輸送到呼吸道的過程，并識别顆粒積聚的區域。模拟顆粒積聚和吸入器效率。
空氣體積流量(50 L/min) ，5000 個顆粒
單向穩态耦合
單向瞬态耦合
雙向瞬态耦合
案例：工業裝置
葉片泵模型，泵送帶有顆粒的液體，雙向耦合。
生産線噴塗和幹燥過程，在密閉腔體中向固體表面噴射低溫液滴，環境是高溫空氣
VolumeAdded參數檢視固體表面有多少水分。當開始噴塗時，顆粒表面水分（ VolumeAdded ）增加。一旦停止噴射，塗層開始幹燥，水分又逐漸減小。
案例：家電
真空吸塵器，模拟長條形狀的雜物被負壓吸入清掃的過程。
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