DPM｜06 Fluent DEM碰撞模型

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了Fluent DEM模型的一些基础理论及使用方法。离散元方法（DEM）适用于模拟颗粒物质，如砾石、煤等，其特点是颗粒占有很大的体积分数，颗粒与颗粒之间的相互作用非常重要，而颗粒与流体的相互作用可能重要，也可能不重要。典型的应用包括料斗、提升管、填充床、流化床、气力输送等。DEM基于Cundall及Strack的研究工作，考虑颗粒碰撞力的作用，这些力被归入颗粒运动的控制方程中。Fluent中可以使用多种形式的颗粒碰撞力，如弹簧、弹簧-阻尼、赫兹、赫兹-阻尼、摩擦、滚动摩擦等。在接触过程中，DEM颗粒不传递热量。Fluent中使用DEM模型需要激活DEM碰撞，并指定碰撞参数、边界条件等。

本文描述Fluent DEM模型的一些基础理论及使用方法。

离散元方法（Discrete Element Method，DEM）适用于模拟颗粒物质(如砾石、煤等)。这种模拟的特点是颗粒占有很大的体积分数，颗粒与颗粒之间的相互作用非常重要，而颗粒与流体的相互作用可能重要，也可能不重要。典型的应用包括：料斗、提升管、填充床、流化床、气力输送等。

注：本文内容取自Fluent文档。

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1 基础理论

DPM模型将移动的颗粒简化为移动的质点，对颗粒形状及其体积进行了模化，计算过程中忽略了颗粒周围的流动细节（例如旋涡脱落、流动分离、边界层等）。基于牛顿第二定律，颗粒运动的控制方程表示为：

DEM基于Cundall及Strack ^[1]的研究工作，考虑颗粒碰撞力的作用（俗称的软球模型）。这些力被归入上面方程的项中。颗粒碰撞产生的力由其变形决定，而变形量是由两对球体之间（或球体与边界之间）的重叠量进行度量，如下图所示。

Fluent中可以使用以下形式的颗粒碰撞力：

• Spring
• Spring-dashpot
• Hertzian
• Hertzian-dashpot
• Friction
• Rolling friction

对于给定的碰撞对，法向接触力的弹簧常数的大小至少应满足以下条件：对于该碰撞对中最大的颗粒包及最大相对速度，弹簧常数应足够高以在一个碰撞对中形成两个颗粒包，最大重叠量与颗粒包直径相比不太大。 可��使用以下公式估算弹簧常数的值：

2 Spring Collision Law

3 Spring-Dashpot Collision Law

4 Hertzian Collision Law

赫兹碰撞定理^[2]是一个非线性碰撞力，其定义为：

5 Hertzian-Dashpot Collision Law

在赫兹碰撞率的基础上考虑阻尼，碰撞力表示为：

6 Friction Collision Law

7 Rolling Friction Collision Law

8 Fluent中使用DEM模型

采用以下步骤激活DEM模型。

1、激活DEM模型

在Physical Models选项卡中激活选项DEM Collision，如下图所示。

激活模型DEM Collision后，面板中会多出一些DEM Collision Model设置参数;

2、指定碰撞参数

点击按钮**DEM Collisions…**可打开DEM Collisions对话框，在其中创建颗粒碰撞材料属性。

设置法向与切向接触力模型，如下图所示。

3、指定边界条件

在壁面边界中指定DEM颗粒碰撞对，如下图所示。

4、DEM模型的一些限制

限制包括：

• 不能使用轴对称几何
• 不能使用动网格
• 不能使用欧拉壁膜模型
• 切应力边界条件不能用于壁面
• Marangoni应力边界条件不能用于壁面
• 在接触过程中DEM颗粒不传递热量

个人观点：就目前来说，Fluent中内置的DEM与其他CFD软件中内置的DEM（如STAR CCM+）相比，最多也就算个玩具，真要做流体与DEM耦合计算的话，利用Fluent+Rocky DEM或Fluent+EDEM耦合是较好的选择。

参考资料