Интеграция Rocky DEM и ANSYS Fluent для моделирования потоков жидкости c частицами произвольной формы

Интеграция Rocky DEM и ANSYS Fluent для моделирования потоков жидкости c частицами произвольной формы

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.

 

ANSYS Моделирование переноса частиц в трубе для оценки эрозии

 

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.

 

ANSYS Моделирование показывает, как затвердевает покрытие фармацевтических таблеток, когда в систему вводится горячий воздух

 

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

 

ANSYS Моделирование процесса покрытия фармацевтических таблеток заданной формы при помощи 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

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.

 

ANSYS Связанный CFD-DEM расчет циклонного пылесоса Bissell

 

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

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.

 

ANSYS Моделирование эрозии трубы

 

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.soften.com.ua


Печать   E-mail