离散元模拟（DEM simulation）的前沿研究分享

 

气力输送是许多工业中用于将颗粒物料从一个地方输送到另一个地方的重要操作。近年来，人们通过将颗粒离散元法（DEM）与气体计算流体动力学（CFD）相结合的数值方法，对这种输运过程进行了大量的研究。此类研究的重点是了解和预测各种条件下的气固流动特性和工艺性能，旨在实现系统的优化设计和控制。本文综述了这一领域的进展，包括所提出的数学模型的制定、验证和应用。重点是对关键现象的建模，如流态和过渡、管道磨损、颗粒磨损和静电。还讨论了未来研究的需求。

 

 

 

 

 

喷动床通常采用计算流体力学-离散单元法模拟。拖曳模型的选择仍然是一个争论的问题，因为它们具有特殊的操作条件。在这项工作中，我们模拟了两个含有 Geldart-D 粒子的喷动床，我们测试了七个阻力模型:三个是经典模型，而四个是通过先进的计算技术开发的。结果表明，关键变量是操作气速与最小喷动气速之比(u/ums)。在 u = ums 时，只有 Gidaspow 模型总是能够预测流化，但在低 u/ums 时，Beetstra 模型是最好的折衷方案。对于较高的数值，容和迪菲利斯模型表现得更好，而其他人高估了粒子的速度。这些结果可以用来确定最佳的模型，并表明有必要为喷动床建立更合适的模型。

 

 

 

 

 

 

在过去的十年里，基于DEM的模拟已经成为热颗粒系统物理测量的一种很有前途的替代方法。尽管它们进展迅速，并成功应用于广泛的工业过程，但对支撑基于热DEM的模拟的理论的全面审查仍有待进行。这项工作对与基于DEM的模拟相关的所有主要热模型和传热机制进行了批判性和深入的回顾。还总结和讨论了其他经常被忽视的关键方面，如边界条件和颗粒体温度分布，旨在为开发稳健的基于热DEM的模型提供一条清晰的途径。基于赫兹接触理论的准解析解证明是经典的，并且仍然是求解静态接触传导的主要方法。最近的尝试主要针对改进通过碰撞接触和颗粒之间的间隙流体的薄楔的传导的计算。1981年以前建立的经验关联式在计算流体-颗粒对流系数方面仍然占主导地位。尽管更准确，但由于显著的计算开销，依赖于单个粒子之间视角因子的解的离散辐射模型的应用比连续模型少得多。一般来说，先前的努力已经导致了基于热DEM模型的坚实框架的构建。需要进行大量工作来改进现有的或开发新的传热子模型，特别是那些用于精确有效地建模含颗粒系统中的传导和辐射的子模型。

 

 

 

 

 

 

离散元法（DEM）已成为农业生产、加工和运输过程中谷物行为建模的流行方法。DEM模拟提供了颗粒流的定性和定量信息，有助于提高对谷物处理设备的理解、设计和优化。DEM模型的精度在很大程度上受到模型输入参数值的影响，如晶粒材料和相互作用特性。然而，由于核的不规则形状和这些生物材料的异质性，准确和适当地量化这些特性仍然是一项具有挑战性的任务。在本研究中，采用直接测量和校准试验相结合的方法确定了玉米和小麦籽粒的DEM模拟材料和相互作用特性，并通过散装材料试验进行了验证。表征测试包括用于获取核尺寸和形状信息的X射线显微CT扫描，使用往复式销摩擦计测量摩擦系数，以及用于校准恢复系数的斜面跌落测试。测量的模型参数值用于两种常见散装材料试验的DEM模拟：浇注体积密度试验和休止角试验。堆密度试验的百分比误差玉米为4.0%，小麦为8.4%，休止角试验的误差玉米为0.4%，小麦为1.3%。使用特征测试测量的参数对体积密度和休止角测试进行DEM模拟，能够准确预测实验测量结果。

 

 

 

 

 

在任何DEM模拟中，所选的颗粒形状都将极大地影响模拟的材料行为。对于特定材料，例如铁路道碴，如何对颗粒形状进行建模仍然是一个悬而未决的问题，这样DEM模拟在计算上是有效的，模拟结果与测量结果非常一致。虽然文献中对铁路道碴的DEM形状建模进行了很好的阐述，但方法主要旨在近似石头的实际形状，导致颗粒形状相当复杂，因此难以确定。相反，将构建非常简单的DEM形状，即三个球体的团块，其目的是近似所考虑的压载材料的形状描述符。在填充行为的DEM模拟中，识别出一组团块形状，这些形状可以在轨道现场观察到的孔隙率以及实验室测试中进行填充。在相关性分析中研究了颗粒形状（描述符）和所获得的堆积（特性）之间的关系。模拟填料的孔隙率与四个形状描述符强相关，这四个形状之间也强相关。因此，推导给定颗粒形状的简单形状模型，匹配其中一个形状描述符，可能是使模拟孔隙率更接近测量孔隙率的好的第一步。进行的相关分析还表明，填料的配位数和各向同性组构与更多的形状描述符相关，这使得估计颗粒形状对这些数量的影响更加困难。