Очень часто при решении возникающих в инженерной практике задач приходится учитывать взаимодействия потоков жидкой или газовой среды и движущихся в ней твёрдых частиц. Чтобы оптимизировать свою продукцию, инженерам приходится изучать эти процессы в самых различных применениях – от нанесения покрытия на таблетки до разработки пылесосов и оценки эрозии трубопроводов.

Проблема заключается в том, что традиционные программные продукты для решения задач методом дискретных элементов (DEM – discrete element method) и задач вычислительной гидрогазодинамики (CFD – computational fluid dynamics) обычно предполагают, что все частицы имеют сферичную форму. Но мир, к сожалению, редко бывает настолько идеальным.

Для того, чтобы оценить взаимодействие несферических частиц с жидкой средой, CFD и DEM модели можно объединить в единый связанный расчет при помощи программных продуктов ANSYS Fluent и Rocky DEM от компании ESSS – представителя (Channel Partner) компании ANSYS в Южной Америке.

Сопряжение CFD и DEM моделей

Существует два варианта сопряжения CFD и DEM моделей: одностороннее сопряжение и двустороннее.

Одностороннее сопряжение Rocky DEM с ANSYS Fluent обычно используется при моделировании жидких сред с малым количеством твердых частиц. В этом случае жидкость влияет на поток частиц, но частицы не влияют на поток жидкости.

Двустороннее сопряжение используется при моделировании плотных потоков с большим количеством твердых частиц. В этом случае поток жидкости влияет на движение частиц, а частицы, в свою очередь, влияют на движение жидкости.

В обоих случаях все частицы отслеживаются решателем DEM на базе постановки Лагранжа. Решатель DEM в явном виде решает уравнения движения частиц (как поступательного, так и вращательного) и сохранения энергии. В связанном расчёте, использующем метод дискретных элементов (DEM) и вычислительную гидрогазодинамику (CFD), в этих уравнениях учитывается результирующая сила и момент, действующие со стороны жидкости на каждую частицу.

В случае двустороннего сопряжения обмен информацией между Rocky DEM и ANSYS Fluent производится в обоих направлениях. Давление и скорости жидкости, рассчитанные в ANSYS Fluent, используются в Rocky DEM для вычисления объемной доли дисперсной фазы, а также импульса и энергии обмена между частицами и жидкими фазами. Эти величины затем передаются в решатель CFD, и в нём вычисляются новые значения давления и скорости жидкости. Этот двусторонний обмен информацией продолжается для каждого шага по времени до момента обеспечения сходимости.

Преимущества сопряжения ANSYS Fluent и Rocky DEM

Главным преимуществом сопряжения ANSYS Fluent и Rocky DEM является возможность создания точной модели с частицами произвольной несферической формы. Такая связанная модель позволяет лучше прогнозировать поведение объекта в реальности благодаря точным представлениям формы в Rocky DEM в сочетании с законами для вычисления действующих на частицы гидродинамических сил.

Rocky DEM позволяет задать следующие частицы:

• Пользовательские выпуклые частицы;
• Пользовательские вогнутые частицы;
• Гибкие волокнистые частицы;
• Оболочечные частицы.

Кроме этого, в Rocky DEM присутствуют инструменты для моделирования явлений адгезии и когезии.

Поскольку решатель DEM отслеживает каждую отдельную частицу, сохраняется полная история движения частиц в расчётной области. Например, Rocky DEM может отследить такие параметры частицы как:

• Скорость
• Температуру;
• Контактные взаимодействия.

Обработка истории движения инструментами постпроцессора Rocky DEM позволяет получить из связанного CFD-DEM расчета наиболее детальную информацию. Это помогает лучше понять работу разрабатываемого изделия и, в конечном итоге, снижает затраты на разработку и время вывода на рынок.

В случае задач с большим количеством частиц Rocky DEM позволяет объединить вычислительную мощность нескольких графических процессоров (GPU). Эта возможность дополняет существующие технологии распараллеливания вычислений во Fluent и значительно сокращает время связанного CFD-DEM расчета.

При выполнении связанного CFD-DEM расчета с сопряжением Rocky DEM с ANSYS Fluent пользователи будут иметь доступ ко всем функциям Rocky DEM.

Реальные примеры использования связанного CFD-DEM расчета

Связывание расчётов методом дискретных элементов (DEM) и вычислительной гидрогазодинамики (CFD) может быть использовано для решения практических задач в различных отраслях промышленности.

Одним из примеров использования CFD-DEM расчётов является моделирование оборудования для нанесения покрытий. В рабочей области аппарата происходит псевдоожижение слоя из сферических частиц подаваемым снизу воздухом. Такая псевдожидкость за счёт столкновения частиц может поддерживать более крупные объекты в форме кольца, на которые наносится покрытие. Для работы аппарата необходимо исключить ситуацию, при которых кольца не получают достаточной поддержки и опускаются на дно аппарата, где осуществляется подача газа. Если это произойдёт, кольца заблокируют поток газа и разрушат псевдоожиженный слой.

Моделирование показывает, как кольца поддерживаются в псевдоожиженном слое из мелких сферических частиц

Связывание методов CFD и DEM также позволяет моделировать циклонные пылесосы для уборки шерсти домашних животных. Движение шерсти в циклоне можно смоделировать при помощи одностороннего сопряжения ANSYS Fluent с моделью гибких волокнистых частиц Rocky DEM. Такие расчеты позволяют сократить количество натурных лабораторных испытаний, сводя к минимуму время и стоимость разработки.

Для моделирования дражировочных барабанов, используемых в фармацевтической промышленности для нанесения покрытий на таблетки, требуется двусторонний сопряженный расчёт Rocky DEM с моделью ANSYS Fluent, включающей несколько расчётных областей и неконформные движущиеся сетки. Задание пользовательских форм частиц помогает точно спрогнозировать температуру таблетки при подаче в барабан горячего воздуха. Такое моделирование позволяет определить требуемую продолжительность пребывания в барабане и получить распределение температуры частиц для различных условий работы.

Моделирование дражировочного барабана для нанесения покрытий на таблетки

Ещё одной задачей, которую можно решить связанным CFD-DEM расчётом, является оценка эрозии трубопроводов в нефтегазовой промышленности. В этой задаче частицы осаждаются из потока и сталкиваются со стенкой отвода. Для каждой частицы рассчитывается сила её взаимодействия с потоком с учётом формы частицы, ориентации в потоке и взаимодействия с поверхностью трубы. Такое моделирование позволяет определить области в трубе, которые подвержены эрозионному износу.

Связывание методов дискретных элементов (DEM) и вычислительной гидрогазодинамики (CFD) позволяет инженерам лучше понять разрабатываемый объект и происходящие в нём процессы, а также получить все необходимые данные для проектирования и оптимизации. Чтобы подробнее узнать о том, как выполнять связанные CFD-DEM расчеты, ознакомьтесь с материалами вебинара (на английском языке): Particulate Modeling with Rocky DEM.

Источник: www.ansys.com
Автор: Lucilla Almeida, Shailesh Ozarkar