使用EDEM与ANSYS Fluent耦合准确模拟流化床

使用EDEM与ANSYS Fluent耦合准确模拟流化床

李苏克

最后登录 2019-5-21

数值建模在工业和学术界是很常见的，有助于理解许多不同的物理系统。计算流体动力学（CFD），离散元素建模（DEM），有限元分析（FEA）和多体动力学（MBD）等方法，在全球范围内都应用广泛。越来越高的计算能力意味着以前的计算量很大的模拟现在也可以在可接受的时间范围内运行。虽然合理的模拟计算时间是重要的，但这不应该优先于模型的准确性和适用性，否则就达不到模型用来模拟真实的系统这一主要目的。本文主要介绍使用EDEM与ANSYS Fluent耦合来模拟颗粒与流体的相互作用的适用性。具体来说，我们将展示EDEM与Fluent耦合模拟流化床上的压降，并与实验数据进行比较。

EDEM与Fluent耦合计算的流化床模拟

流化床在工业中应用广泛，特别是在化学加工以及用于各种工艺中。流化床的优越性在于它使得流体与固体充分接触，成为冷冻，冷却，加热，涂覆和处理各种固体材料和颗粒等工艺的理想选择。

流化床由大量的颗粒及流体组成（见图1）。 假设颗粒比流体的密度大，则颗粒的重力将大于由流体提供的浮力，颗粒将沉降并停留在区域的底部。 一旦流体速度达到一定值，则发生流化流化床模拟 edem与fluent耦合，颗粒由于流体提供的足够大的力而悬浮。 随着速度的增加，流体流动最终会变为湍流，引起涡流和速度波动。 这些漩涡、波动以及紊流的混沌特性提高了流化床的混合能力。

图1 一个典型的流化床

流化床很难模拟，因为它不仅存在流场的压降，而且还含有大量颗粒，流体和颗粒之间存在着复杂的相互作用。流体中的压降非常适合用CFD软件建模计算，但大量颗粒意味着仅用CFD模拟计算是不够的。 EDEM旨在处理颗粒间的相互作用。 EDEM耦合接口作为与CFD耦合的完美平台，可以精确地模拟流化床中的复杂过程。 EDEM-Fluent耦合即在Fluent中对流场进行精确计算的同时，在EDEM中对颗粒运动与碰撞进行精确计算。

对于任何数值模拟，无论是CFD，DEM，FEA，MBD还是其他仿真类型，验证是数值建模过程的关键部分，若没有验证数据，我们无法确定仿真结果的可靠性。 通常用实验数据的来验证，但是如果存在相关的理论模型，也可以用理论计算来验证。 对于本文描述的流化床模拟，我们能够用实验数据和基于Ergun方程的理论模型来验证，该理论模型能够计算流化床上的压降：

其中Δp是流化床上的压降，L是流化床的高度，μ是流体粘度，ε是流化床的空隙率，u0是表面流体速度，Dp是颗粒粒径，ρ是流体的密度[1]。

早在2013年，美国国家能源技术实验室（NETL）就进行了一系列实验或小规模挑战性项目（SSCP）流化床模拟 edem与fluent耦合，其结果作为验证CFD多相流模拟的手段[2]。一个有代表性的模拟项目是“NETL SSCP I”，使用了EDEM-Fluent耦合模型，EDEM模拟部分用了GPU - NVIDIA GeForce GTX 1080显卡，Fluent模拟部分用了8核CPU计算。

测试步骤：第一步，在32秒（一般为30秒，由于结果文件中每4秒统计数值，为了便于记录结果我们将第一步设为32秒）内压力从0 simusers（simusers为avalanche 2500中模拟的用户单位，一个simuser为一个模拟用户）上升到n simusers，n为预计的最大速率。在000和ll1计算中对流道中激波的位置模拟一致，但在投射到吸力面的斜激波处，000网格模拟的激波强度小于11l网格。孙 等（ ）结合２０１１ｂ ３ ＣmＩＰ３ ２０１３（ ）各模式对东亚夏季大气环流的模拟能力， 和 耦合模式模拟的结果，对比评估 ＣmＩＰ３ ＣmＩＰ３ ＣmＩＰ５结果表明，虽大多数模式对东亚地区海平面气压场、 了两代ＣmＩＰ耦合模式对北太平洋海平面气压变率 风场及 位势高度场的气候态均有 主要模态的模拟结果，结果发现， 多模式集８５０ ｈＰａ ５００ ｈＰａ ＣmＩＰ５较强的模拟能力，但模式对东亚地区夏季主要环流 合无论在空间型还是强度、时间变化的模拟都优于系统模拟整体偏弱， 等（ ）评估了 个海气 ＣmＩＰ３ 多模式集合的结果。

为了验证模拟的准确性，将模拟得出的流化床上的压降与NETL SSCP实验数据和理论公式计算的值进行比较，如图2。NETL SSCP I实验是通过将三个压力传感器放置在流化床不同的位置来计算流体压力数据的。当模拟中流化速度稳定时，得到的压力差与实验获得的平均压力差相当。来自NETL SSCP I实验的平均压力差为690 Pa，而仿真数据的平均压力为714 Pa。模拟压力数据也与理论公式的预测压降724 Pa良好吻合。

图2 流化床内压降随时间变化情况

模拟实验法在科学探究过程中,有些问题单凭观察是难以得出结论的.这时就需要通过实验来探究.实验当然也离不开观察,但与单纯的观察不同的是,实验是在人为控制研究对象的条件下进行的观察.在难以直接拿研究对象做实验时,有时用模型来做实验,即模仿实验对象制作模型,或者模仿实验的某些条件进行实验,这样的实验叫做模拟实验.模拟实验是科。 1 2 3 4 5 …… ap mm讨论分析实验三 加工误差统计分析实验报告实验名称实验日期班 级姓 名同 组 人一﹑实验目的二﹑实验仪器设备三﹑实验原理四﹑实验数据记录与处理1. 实验原始数据表一 测量数据表序号 尺寸 序号 尺寸 序号 尺寸 序号 尺寸 1 21 2 22 3 23 4 24 5 25 6 26 7 27 8 28 9 29 10 30 11 31 12 32 13 33 14 34 15 35 16 36 17 37 18 38 19 39 20 402. 绘制实际分布图（1）剔除异常数据若，认为为异常数据，应剔除。项目模型2.1 物理模型表1 沉淀池物理原型主要结构尺寸(单位m)池长30池宽4.5入口高度0.5出口堰上水头0.2有效水深3泥斗上宽4.5泥斗下宽0.5池底坡度0.015项目模型2.2 计算模型平流式沉淀池的实际流动过程为固液两相流动但由于污泥颗粒较小密度与水接近为简化模拟过程的复杂性可以将固液两相体系视为拟均相在模拟过程中直接采用纯水的物理特性。