GPU加速下的离散元（DEM）模拟

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文一：

GPU 加速的颗粒流和多相流的 MFiX-DEM 模拟

摘要：

在这项研究中，开发了一个图形处理单元（GPU）加速离散元法（DEM）代码，并将其与计算流体动力学（CFD）软件MFiX相结合，以模拟具有传热和化学反应的颗粒流和多相流。基于Fortran的CFD求解器通过进程间管道与基于CUDA/C++的DEM求解器耦合。在颗粒填充的模拟中，MFiX DEM的CPU版本的加速约为130–243倍。在流化床模拟中，DEM计算时间从91%减少到17%，速度提高了78倍。Geldart A颗粒流化的模拟显示，流体和颗粒粗颗粒化的重要性相似。从双流体模型导出的过滤阻力适用于流体和颗粒粗颗粒化的欧拉-拉格朗日模拟。如果仅用于流体粗颗粒化的模拟，则会过度校正子栅格结构的影响。

图：GPU MFiX数据管道交换算法。CPU侧的多个小箭头线表示MPI并行进程。

图：MFiX CPUDEM和MFiX GPUDEM模拟鼓泡流化床中颗粒分布

文二：

基于GPU的SPH-EM方法研究多相流与固体颗粒的三相流体动力学相互作用

摘要：

气液多相混合物中的颗粒流（即三相流）在各个领域以及化学工程、资源工程、海洋工程和核工程领域都经常遇到。因此，这种三相流的数值建模对于评估和增强现有工业装置的流体设计或提高工程安全性/效率至关重要。在固体颗粒相方面，离散元法（DEM）在数值模拟固体-固体相互作用方面表现出了卓越的能力。对于多相CFD模型，从欧拉-欧拉双流体模型到完全解析DNS求解器的几种数值技术已与DEM相结合，以对三相流进行建模。现有的三相颗粒流研究大多基于基于CFD和DEM的耦合网格技术。考虑到工业中的许多三相颗粒流是由与液体形成尖锐界面的气/气相驱动的，将DEM与基于颗粒的拉格朗日CFD方法相结合也可以是建模此类三相流的一个很好的选择或替代方案，该方法可以处理多相流，而无需任何界面捕获或相关联。在这方面，本研究通过将DEM与拉格朗日平滑粒子流体动力学（SPH）模型相耦合，同时采用两种技术之间未解决的相位耦合，建立了三相流求解器。为了克服这两种数值方法计算效率低的问题，基于GPU的加速度与数千个GPU处理器提供的拉格朗日方法具有很高的兼容性，因此被用于SPH-EM耦合求解器的加速。可扩展性分析的结果表明，加速版本表现出增强的性能，尤其是当模拟中使用许多拉格朗日节点时。进行了几次基准模拟，以证明SPH-EM求解器在与颗粒流相关的各种多相应用中的能力和适用性。数值模拟结果验证了动量交换模型的可行性，并通过对颗粒床气体驱动水平化行为的三相SPH-EM模拟，证明了SPH-EM耦合求解器在三相流中的潜力和适用性。

图：软球 DEM 碰撞模型的弹簧-阻尼系统

图：SPH和DEM的未解析耦合域。

图：流固溃坝模拟结果。

文三：

全尺寸双螺杆造粒机中不规则形状颗粒流动特性的 GPU 增强 DEM 分析

摘要：

在双螺杆造粒（TSG）过程中，通常具有不规则形状的小颗粒聚集在一起，形成具有改进性能的较大颗粒。然而，颗粒形状如何影响TSG过程中的输送特性尚未被探索或充分理解。本研究首次采用图形处理单元（GPU）增强离散元法（DEM）研究了颗粒形状对全尺寸双螺杆造粒机输送特性的影响。研究发现，球形颗粒的TSG具有最小的颗粒保留数、平均停留时间和功耗；而对于具有六棱柱（Hexp）形状颗粒的TSG，获得了最大的颗粒保留数，而具有立方体颗粒的TSG需要最高的功耗。此外，球形颗粒呈现出更接近理想塞流的流动模式，而立方体颗粒呈现出接近完美混合的流动模式。结果表明，GPU增强的DEM能够模拟非球形颗粒全尺寸双螺杆造粒机中复杂的TSG过程。

图：球形（a）和凸多面体粒子（b）的接触检测

图：双螺杆造粒机中不同形状颗粒的流动剖面：（a）球体，（b）立方体，（c）Biluna，（d）HexP

文四：

基于 GPU 的离散元法研究双桨搅拌机中颗粒形状对混合的影响及实验

摘要：

非球形颗粒流在许多工业过程中起着至关重要的作用。实验和离散元法（DEM）用于比较含有非球形颗粒和含有球形颗粒的双桨搅拌器的混合行为。DEM模型是使用来自转鼓的实验数据进行校准的。使用校准的DEM模型，通过计算相对标准偏差（RSD）、颗粒速度、接触力、配位数、扩散系数、Peclet数、法向应力和剪切应力分布，研究了颗粒形状对混合质量的影响。球形颗粒的均匀度优于非球形颗粒。立方体颗粒在混合器中表现出固体混合物的最高压实度。与球形颗粒相比，非球形颗粒表现出更高的运动阻力。发现扩散是一种优越的混合机制。剪切应力和法向应力随混合时间的变化而变化，在叶尖附近达到峰值。

图：球形和非球形粒子在d时的数值模拟结果快照：（a）球形、（b）立方体和（c）圆柱形粒子。

图：模拟和实验结果的比较: (a)圆柱形和(b)立方形颗粒。

文五：

利用图形处理器上的多面体粒子研究转鼓内热传导颗粒物质的 DEM

摘要：

许多工业应用需要控制单个颗粒的颗粒材料温度。因此，使用DEM的粒子级模拟对于优化至关重要。然而，由于计算成本的原因，DEM中的颗粒形状经常被忽略。本文利用Blaze DEM程序在GPU计算方面的进展，研究了颗粒形状对转鼓内传热的影响。发现形状不规则性具有最大的影响，非对称形状具有至少30%的更好的热传导。发现系统温度随转速和填充水平的变化呈线性趋势。在所有情况下，温度都随时间呈亚线性增加。发现对颗粒尺寸敏感的所有形状都增加了1.5倍以上。最后，颗粒在轴向上的显著扩散证明了考虑整个区域而不是切片以限制计算成本的重要性。