流体－颗粒系统数值模拟的 FLUENT－EDEM 解决方案北京海基科技发展有限公司2009 年 6 月 24 日一、概述绝大多数固态物质的个体是以颗粒状的外形存在的，即：有特定的尺寸和形 状，与外界有有限的边界。
自然界中的矿石，种子，沙粒，工业产品中的药片、 糖果等都是典型的颗粒。
通常，无论是在自然界，还是人类生产实践中，都会涉 及到了流体与颗粒相互作用（包括：质量交换、动量交换和能量交换等） 。
如： 沙尘暴，水土流失，农作物的干燥，工业上使用的各种流化床，旋流分离器以及 气力输运设备等。
研究这种相互作用，对人们的生产生活有着重要意义：不仅为 提高生产力，更能为改善人类的生存环境提供指导依据。
我们将涉及流体流动换热和颗粒运动的体系称为“流体-颗粒系统” 。
该类系 统的研究难点在于： 1. 流体本身就具有形态不固定，变化无常，难于观察和测量的特点； 2. 大量颗粒进行相互碰撞：不同时刻和位置，每个颗粒的运动、受力情况 都有所不同； 3. 流体与颗粒相互影响，形成强烈的耦合作用，更加大了系统的复杂度。
在以往的研究中，实验研究占很大的比重，主要通过测定或统计的方法来获 取系统的宏观指标。
另一些则是通过模型简化，进行机理性的研究。
随着计算机 技术和数值算法的发展， 越来越多的科学家和研究人员投入到数值仿真的研究中 来，FEA（有限元分析）方法和 CFD（计算流体力学）技术成为应用力学中发展 最为迅速、 活跃的分支。
针对流体-颗粒系统的数值模拟研究， 主要采用基于 CFD 方法的多相流技术和 CFD-DEM 耦合方法。
二、气固（液固）两相流技术发展状况在研究初期，由于没有很好的描述颗粒系统的计算模型，人们更倾向于以研 究流体为切入点 （研究该类系统的科学家和研究人员通常是流体力学专业出身） ， 将系统中大量的颗粒假设为一种准流体——颗粒流，从而产生了气固（液固）两 相流技术。
气固两相物质所组成的流动系统称为气固两相流系， 其中气相通常以连续相 形式出现，固相以颗粒或团块的形式处于气相中。
***耦合要求EDEM版本：2019.1及以上版本HyperWorks版本：2019.1及以上版本操作系统：Windows 10 x64 bitMicrosoft Visual C++ 2010 SP1 Redistributable Package(x64)***案例说明该案例为水轮机仿真，水轮机绕中心轴转动，颗粒掉落在轮机叶片上带动水轮机转动。
在MotionSolve中对轮机转动进行仿真，EDEM中完成颗粒及颗粒与轮机叶片接触计算。
案例中使用的材料参数如下：Step1：创建Motion仿真模型1.打开MotionView软件；2.在标准工具栏中点击Import Geometry，弹出导入几何体对话框；3.点击File按钮，在工作路径下找到wheel.step文件；4.点击OK开始导入。
5.在约束工具栏中右键点击Joint图标，弹出添加Joint或JointPair对话框；6.在运动副类型中选择转动副，点击OK；7.在运动副面板上分别选择wheel和Ground Body作为Body1和Body2；8.双击Point按钮，指向Bodies>Wheel>Inertia Props，选择cg；9.点击OK；10.将Alignment Axis type设置为Vector并选择Global Z;11.从Project面板选择Solver Gravity，设置Y方向重力为-9810；12.保存模型为wheel.mdl。
Step2：创建EDEM仿真模型接下来创建EDEM模型。
EDEM模型将按照如下流程：➢定义颗粒材料➢定义颗粒形状➢定义几何体材料➢导入几何体➢创建虚拟几何体/颗粒工厂➢设置仿真环境参数➢设置求解相关参数1.打开EDEM2019.1；2.在Creator Tree面板右键Bulk Material，选择Add Bulk Material；此时，名为BulkMaterial1的材料创建出来，采用默认的材料参数；3.Interaction处点击；4.在对话框中选择BulkMaterial1，采用默认参数；5.在Creator Tree中，右键点击BulkMaterial1，选择Add Particle；6.在Shape Library中选择Single Sphere，在可视化窗口下方设置颗粒物理半径为0.1；7.在模型树New Particle 1下方选择Properties，点击Calculate Properties；8.在Creator Tree中右键Equipment Material，选择Add EquipmentMaterial，此时在下方创建了名为EquipmentMaterial 1的几何体材料；9.修改Solids density为7860，剪切模量为80.77e9；10.点击Interaction处，对话框中选择BulkMaterial1，并采用默认参数；11.在工具栏中点击Start Coupling Server，打开耦合接口；12.返回MotionView，点击EDEM Subsystem；13.在可视化窗口下方面板中，点击Graphics，在窗口中选择wheel；14.点击Transfer to EDEM;15.返回EDEM软件界面，可以看到通过耦合接口，从MotionSolve导入几何体进程；16.导入完成后，可以选择X方向视图，如下图所示在模型树中可以看到，导入的几何体wheel名称为component_0000。
EDEM是英国DEM-Solution公司的产品之一，同时也是全球领先的离散元解决软件,该软件的主要功能是仿真、分析和观察粒子流的运动规律。
离散单元法（Distinct Element Method，简称DEM）是美国学者Cundall P.A.教授在1971年研究基于分子动力学原理时首次提出来的，主要应用于分析岩石力学问题，是一种不连续数值模拟方法。
作为一种新兴的散料分析方法，离散元已经迅速成长起来。
现在，制药、化学药品、矿物、原料处理，包括石油和煤气的生产、农业、建筑业、技术工程等很多产业都已应用EDEM进行设计，并取得了较好的效果。
利用EDEM可以解决物体的混合和分离、收缩破裂和凝聚、颗粒的损伤和磨损、固－液流的条件、机器部件对颗粒碰撞的力学反应、腐蚀、颗粒的包装和表面处理、热和质量传递、化学反应动力学、沉降和颗粒从固液体系中的去除、危险物料的处理、干湿固体的压缩、粘性和塑性力学、胶体和玻璃体的行为等诸多问题。
并且EDEM 能够检查由颗粒尺度所引起的操作问题，减少对物理原型和试验的需求，获得不易测量的颗粒尺度行为的信息，确定颗粒流对流体行为或机械的影响。
目前，离散元已经发展到三维可视化阶段，无论是其操作的简便性、可视化功能，还是其后处理功能都有很大的提升。
更具特色的是还增加了流固耦合这种复杂问题的处理模块，进而完善了整个软件的分析功能。
将EDEM 与现有的CAE工具结合应用，能够快速简便地进行设计分析，进而减少开发成本和开发时间。
利用前处理器Creator进行建模定义颗粒。
颗粒的几何形状及物理性质等，可以是任意形状的颗粒。
通过导入真实颗粒的CAD模型，准确描述它们的形状。
通过添加力学性质、物料性质和其它物理性质来建立颗粒模型，并且在模拟过程中，把生成的数据储存到相应的数据库中。
定义颗粒所在的环境。
创建几何、导入机械几何的CAD 模型、定义几何的动力学性质、用Particle Factory 工具定义颗粒的生成工厂等，都可以根据机械形状来高效生成颗粒集合，其中机械形状可以作为固体模型或表面网格从CAD 或CAE 软件中导入。
