Fluent-EDEM耦合计算颗粒流动

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虽然说Fluent提供了很多方法用于处理颗粒在流体中的运动行为，然而这些方法都有其各自的适用性。DPM适用于稀薄颗粒的情况，欧拉模型、Mixture模型及DDPM模型虽然可以考虑稠密颗粒相，但并不能考虑颗粒之间的相互作用。DEM模型可以考虑颗粒之间的相互作用，但是FLUENT中的DEM模型仅能模拟最简单的颗粒之间相互作用（接触力模型很少），如果要考虑复杂的颗粒间相互作用，则需要考虑更专业的DEM软件。

EDEM是一款专业的DEM软件，特别适用于解决颗粒流问题。（注：这不是广告，因为适合解决颗粒流问题的DEM商用软件并不多，比较出名的就那么几款，如EDEM、PFC等，开源的DEM软件适合颗粒流计算的软件有LIGGGHTS）。DEM软件主要用于两个方向，一个专注于模拟如岩土之类的颗粒粘结固体，一类专注于颗粒流动。

本案例主要描述利用FLUENT与EDEM软件耦合解决颗粒在流体中的运动轨迹计算。其中EDEM软件负责颗粒的运行轨迹计算，FLUENT软件负责计算流体流场。

1 案例描述

本案例考虑气力分选问题。模型几何如图所示。

 

固体颗粒由上方进料口进入计算域，流体从左侧入口进入。划分计算网格如图所示。

 

受计算资源限制，这里网格划分得比较粗，如果是真实计算，网格要划分得密一些。

2 Fluent设置

• step 1：采用3D并行启动Fluent
• step 2：导入网格
• step 3：采用瞬态计算，考虑重力加速度沿-y方向9.81 m/s2
• step 4：采用realizable k-epsilon湍流模型
• step 5：边界条件inlet为velocity，设置速度为8m/s；outlet边界为outflow，其他边界采用默认设置
• step 6：Solution Methods中设置pressure-velocity Coupling Scheme为PISO
  保存cas文件。

3 EDEM设置

• step 1：启动EDEM2017，保存文件为ex.dem
• step 2：鼠标右键选择BulkMaterial，选择Add Bulk Material
   
•  step 3：修改材料名称为weight，设置密度为500 kg/m3
   
• step 4：同样的步骤创建另一材料light，修改其密度为120kg/m3
   
• step 5：材料weight上点击右键，选择Add Particle
   
• step 6：设置颗粒粒径为2mm，并计算颗粒属性，修改颗粒名称为weightParticle
   
• step 7：相同步骤在light上创建颗粒，粒径为1mm，修改颗粒名称为lightParticle
• step 8：添加颗粒间相互作用。鼠标选中weight，选中下方面板中Interaction下的添加相互作用按钮，添加weight-weight以及weight-light相间的相互作用，这里暂时采用默认参数
   
• step 8：鼠标选中light，相同的步骤添加light-light相互作用，参数暂时采用默认
• step 9：添加壁面材料。右键选择列表项Equipment Materials，选择Add Eauipment Materials，材料参数采用默认参数，修改材料名称为steel
   
• step 10：在steel材料上添加相互作用steel-light以及steel-weight，参数采用默认
• step 11：右键选择Geometries，选择菜单Import Geometry…，在打开的文件选择对话框中选择前面创建的msh文件，导入计算域，修改名称为domain。
   
• step 12：创建几何用于释放颗粒。右键选择Geometries，选择菜单Add Geometry → Polygon
   
  
  修改名称为injector，并设置其Type为Virtual
   
• step 13：修改Injector的Polygon属性，如下图所示
   
• step 14：右键选择injector，选择弹出菜单Add Factor
   
• step 15：选择Factory Type为Unlimited Number，设置parameters下的material为weight，设置速度为y方向-0.5m/s；
• step 16：同样的步骤创建另外一个factory，只不过设置材料为light，速度仍然为y方向-0.5m/s
   
• step 16：选择Environment，设置重力加速度为y方向-9.81m/s2
   

   保存工程文件。

• step 17：进入Simulator功能，设置cell size为10R，其他参数保持默认。这里不需要设置total time，因为后面设置耦合后仿真计算总时间由Fluent决定。
   

4 耦合设置

• step 18：在EDEM中开启耦合
   
• step 19：在Fluent中load加载EDEM-FLUENT Coupling耦合UDF
   

• step 20：Fluent的Models中双击列表项EDEM Coupling，弹出的对话框中选择按钮connect
   

• step 21：Fluent中启动计算
   

5 结果分析

• 无耦合计算结果
   

  颗粒径直下落到底部。

• 耦合计算结果
  轻相颗粒（蓝色）被分离。

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