泥沙输送的DEM-CFD耦合案例

1 背景

泥沙等不溶物通常以小颗粒形式存在于水中，形成悬浮液体系。Ansys体系中，悬浮液体系的仿真有以下方法：

• Fluent的欧拉多相流模型

• Fluent的DPM（离散相模型）

• Fluent+Rocky耦合

上述三类方法中，若需要考虑颗粒物的凝聚、沉淀、附着等现象，必须使用Fluent+Rocky耦合的方法仿真。

2 仿真模型

2.1 概述

本案例基于2024R2版本制作。仿真模型为如图所示的管路，其流动介质为清水，分析水中泥沙流动和沉淀、附着管路等现象。

Fluent和Rocky的信息传递采用双向耦合，其交互模式如图所示。

2.2 Fluent设置

Fluent中采用瞬态仿真，并开启欧拉多相流模型。

多相流中需要设置两个相，分别为水和颗粒，且水作为主相。颗粒的材料属性可为任意值，其实际分布基于Rocky的计算结果确定。

相间作用主要考虑颗粒的阻力特性，采用Schiller-Naumann模型。

在边界条件设置中，入口和出口回流的颗粒相体积分数必须设置为0。

Fluent中的数值计算方法设置如图所示。压力-速度耦合选项中，Fluent-Rocky的双向耦合仅支持“Phase coupled SIMPLE”选项，其他部分采用一阶迎风格式增加数值稳定性。

对Fluent的模型运行形成初始流场。

2.3 Rocky设置

作用力设置中，需要考虑颗粒黏着力的作用。

泥沙的颗粒尺寸通常为微米层级，此模型中需要计算的颗粒数为数十亿量级。由于硬件算力关系，直接计算每一个颗粒的运动过程难以实现。开启粗颗粒模型（Coarse-Graining Model），通过代表性颗粒代替大量颗粒从而简化运算。

CGM放大系数设置为30，则Rocky中的一个颗粒等效于30^3即27000个实际颗粒。

在颗粒之间和颗粒与管道相互作用部分需要设置黏着力的相关内容。

为了避免一开始就黏着，建议Rocky中颗粒的入口尺寸稍小于管路尺寸。

在Rocky的CFD耦合部分，设置为Fluent双向耦合模式，并指定Fluent的相关文件路径以及运行方式。

从Rocky中启动计算，Rocky会自动调用Fluent进行计算。

3 仿真结果

Rocky仿真的中途时刻颗粒分布如图所示。

局部放大后，可看到颗粒凝聚成团和附着管壁现象。

Fluent仿真的体积分数和水流速度中间时刻分布如图所示。

4 注意事项

1 在安装Rocky时需要安装Fluent耦合插件，否则无法进行双向耦合。

2 Rocky项目文件路径严禁出现空格，否则会运行出错。例如文件夹“D:\Folder 1”，需要改名为“D:\Folder-1”以消除空格；Rocky文件也类似，禁止出现“Particle Simulation.rocky”之类存在空格的文件名。