九十七、Fluent可以模拟颗粒流动吗？哪些模型可以用来模拟颗粒流动？

首先在文章开头回答一下标题，Fluent可以模拟颗粒流动，而且Fluent中不只一种模型可以模拟颗粒的流动。

注：这里说的颗粒并不一定是指固体颗粒，有些情况下还指液滴，甚至一些情况下还可能是气泡。

1.1流化床

流化床应该是很常见的使用Fluent模拟颗粒流动的现象。颗粒在向上的气流作用下悬浮，形成流化状态，类似于流体行为。过程涉及到颗粒与气体的耦合、颗粒间碰撞与摩擦。

典型应用比如煤粉燃烧、催化裂化、化工反应器设计、热处理中的颗粒输运等

参考文章：四十二、Fluent欧拉模型流化床模拟

1.2颗粒沉降与分离

颗粒在重力或离心力作用下从流体中沉降或分离。涉及到颗粒的拖曳力与浮力平衡、颗粒沉降速度计算。

典型应用如沉降池设计、离心分离器优化和河流泥沙沉降研究等

1.3磨损与颗粒冲蚀

这一现象也很常见，高速颗粒冲击固体表面，引起材料表面磨损或破坏。颗粒动能转化为冲蚀能量。一般使用离散相模型DPM进行模拟。

一些研究如管道磨损研究，风力作用下砂粒对建筑物的冲蚀评估，航空发动机颗粒冲蚀分析会涉及到磨损与颗粒冲蚀。

1.4颗粒的生长与团聚

颗粒生长是颗粒在质量和体积上逐渐增大的过程，颗粒团聚是多个小颗粒因相互作用结合成较大颗粒团的过程。一般涉及到颗粒和流体相间的传热传质。

比如制药颗粒的生产、纳米材料的合成、烟尘颗粒的形成等会涉及到颗粒的生长，而污水处理中的颗粒絮凝、烟气除尘、粉体混合与储存等则会出现颗粒团聚的现象

参考文章：四十、Fluent 颗粒\气泡PBM模型；六十五、Fluent PBM模型后处理

1.5颗粒反应流

颗粒参与化学反应，例如燃烧、氧化或裂解。涉及到颗粒表面反应、热传递、质量交换。

燃煤锅炉中颗粒燃烧模拟、催化剂颗粒反应器设计等会涉及到颗粒参与化学反应的情况

以上只是简单介绍一些颗粒流动，实际上的颗粒流动要丰富复杂的多。还有一些情况，虽然也会涉及到颗粒流动，但离散元软件会更加合适而且方便，比如分析颗粒堆积密度、孔隙率等问题。

大家还是要多看文章多了解，选对软件或者方法才能事半功倍

计算流动力学中有两种主要方法可以对颗粒流动进行模拟：欧拉法和拉格朗日法，实际上Fluent中对颗粒流动的模拟也是分成了这两种方法。

2.1 欧拉法

欧拉法将颗粒相和流体相都视为连续介质，并通过守恒方程描述它们的运动和相互作用。其假设颗粒也是一种流体，因此颗粒被认为也满足连续性介质假设。

特点：认为颗粒也是流体，因此无法查看颗粒的运动轨迹。

注：我们这里说的欧拉法或者下面的拉格朗日法是只对颗粒相而言的，因为流体相一定是欧拉法。

如果是两相流，颗粒相使用欧拉法，则完整描述应该是欧拉-欧拉方法或者双欧拉方法。

同样的，如果，颗粒相使用的是拉格朗日方法，完整描述应该是欧拉-拉格朗日方法。

2.2 拉格朗日法

拉格朗日法将颗粒视为离散的个体，跟踪每个颗粒在流场中的运动轨迹。颗粒的运动由牛顿第二定律描述，同时通过交换曳力、升力等耦合到流体方程中。

特点：记录追踪每一个颗粒，颗粒查看颗粒轨迹。计算速度取决于颗粒数量。当颗粒数量较大时，不适用此方法。

拉格朗日法适用于稀相颗粒流动，如喷雾、颗粒沉降、过滤器模拟等。如果颗粒尺寸较大或数量有限，并需要追踪颗粒个体行为时也需要使用拉格朗日方法。

3.1欧拉方法

多相流界面的模型其实都是欧拉方法，即主相和次相都被认为是流体，即使你的次相是颗粒。

只不过VOF一般用于描述具有明确界面的流动，如液滴的形成与分裂、水波运动与溅射、油水分离等过程。不适用于颗粒分布广泛的稀相或密相多相流。

将多相流视为一个单一混合物，通过质量和动量守恒方程描述整体流动行为，同时计算各相的滑移速度。是欧拉方法的一种简化形式，计算效率高，但准确性可能较低。

可以用来模拟颗粒流动，但是相较于Eulerian Model，应用的比较少。
Mixture模型的相界面，次相可以颗粒的直径，也可以考虑颗粒动力学，还可以打开PBM模型

每个相如液相、气相、固相都被视为连续介质，分别求解其各自的守恒方程。适用于流化床反应器中的气固两相流、固液搅拌槽中的颗粒混合和高浓度浆体输送。

它的界面和Mixture模型相同。下图为勾选Granular之后的界面

PBM模型是Mixture和Eulerian所独有的可以描述颗粒尺寸变化的模型，需要在这两个模型打开的前提下才能使用。

PBM用于研究颗粒的形成、成长、破碎和聚集等过程。可以追踪颗粒尺寸分布的变化。主要应用于颗粒(或气泡、液滴)的成核(结晶)、生长、团聚和破碎等问题。

比如化工领域：如聚合反应中的颗粒成核和生长过程；制药领域：如药片生产中的颗粒团聚和分布优化；食品工业：如喷雾干燥过程中颗粒尺寸分布的控制。环境应用：大气颗粒物的形成与分布模拟。污水处理中的颗粒絮凝与沉降过程。

其中PBM界面的设置和边界条件的设置都比较复杂。可以参考文章：四十、Fluent 颗粒\气泡PBM模型；六十五、Fluent PBM模型后处理；五十五、PBM模型参数详细设置

注：欧拉方法无法将颗粒相的材料设置为固体材料，只能通过更改液体或气体材料属性来代替颗粒材料

3.2拉格朗日方法

Fluent中的DPM模型、DDPM模型和DEM模型都是拉格朗日方法。下面主要介绍它们的特点和适用性

离散相粒子不占据显著体积，且不会显著改变连续相的流动场(弱耦合)；适合稀相流，粒子体积分数低于10%。粒子间的碰撞和相互作用需要简化处理。

适用性：雾化喷雾（如燃烧室内喷雾燃料分布）；粒子沉降、分离器设计；无显著粒子间相互作用的稀相流动模拟。

参考文章：十六、DPM模型-颗粒流动；十七、DPM模型参数设置详解；十八、DPM模型案例（二）

在 DPM 的基础上进一步考虑粒子间的相互作用及其对连续相的反馈影响。相较 DPM，可以模拟稠密离散相流(体积分数较高的颗粒流动)。适用于体积分数在10%-40%范围内的场景。通过改进的相间耦合增强模拟精度。

适用性：稠密气固两相流，例如流化床反应器；粉体输送或粒子群团效应显著的场景。

专门用于详细模拟颗粒的碰撞、摩擦及粘附力。颗粒运动通过牛顿第二定律计算，颗粒间力通过接触模型(如 Hertz-Mindlin 接触模型)计算。通常与连续相的欧拉模型结合使用，实现两相间强耦合模拟。计算量巨大，模拟颗粒数量有限(通常在10^5颗粒数量级以内)。不适合大规模颗粒群场景。

适用性：颗粒堆积、流化和流态化过程；转鼓、颗粒碰撞、粉体混合器等颗粒行为占主导的场景。精细颗粒模拟，如药物制粒或磨损分析。

实际上有更加专业的离散元软件用于模拟颗粒间的相互作用，比如EDEM。

下面将上述的三种模型进行对比总结：

上面只是对几种模型的简单介绍，详细内容没有展开说明。实际上上面的每一种模型的理论和设置都很复杂。

本文主要是提供一些基本的知识，以方便大家根据自己的工况来选择合适的模型，然后再仔细研究和钻研其中一种模型。

为了方便大家学习交流，我创建了QQ群：584245112，大家可以在其中讨论相关的问题，同时我会将所有文章的源文件都放到QQ群中，还会放一些其它的学习文件。欢迎大家加入。