离散元方法 (DEM)

离散元方法 (DEM) 是一种工程数值方法，用来模拟大量相互作用的离散对象（通常是固体颗粒）如何运动。尽管 DEM 建模需要强大的计算能力，但它提供了其他方法无法实现的细节分辨率。在 Simcenter STAR-CCM+ 中，DEM 可应用于带体网格或不带体网格的区域。

DEM 模型由 Cundall 和 Strack [94] 构建，将拉格朗日建模方法延伸到包括密集颗粒流。DEM 的鲜明特征在于，运动方程中包括了颗粒间接触力。对于高负载流体（即，大量相互作用的颗粒），这些力不容忽视。

Simcenter STAR-CCM+ 使用经典力学方法对 DEM 建模，并以允许颗粒发生重叠的软颗粒公式为基础。计算的接触力与重叠以及颗粒材料和几何属性成比例。



具体应用包括对以下各项的颗粒流建模：

  • 沙
  • 食品颗粒
  • 粉末
  • 胶囊
  • 浆料

Simcenter STAR-CCM+ 中的 DEM 在拉格朗日架构内实现，并使用拉格朗日相模型定义颗粒。此外，在颗粒相互接触或颗粒与壁面边界接触期间，DEM 模型对特定的 DEM 颗粒属性及其行为使用自己的相和相间相互作用模型。

DEM 模型还使用拉格朗日喷射器及其自身的栅格喷射器和随机喷射器将颗粒引入流体区域中。

运行求解器之后，通过激活清除求解对话框中的拉格朗日 DEM 求解域选项，可以从区域中清除 DEM 颗粒。

离散元方法的注意事项

设置使用 DEM 的模拟时，考虑以下几点：

  • 对典型的 CFD 应用使用较粗糙的网格。如果颗粒位于小网格单元中并占据其大部分体积，可能会导致空隙率较高，从而使求解器出现不稳定。
  • 当 DEM 颗粒不受液相显著影响且不需要 DEM-CFD 耦合时，使用无网格区域。请参见无网格 DEM 模型参考。
  • 使用网格运动时，使用较小的求解器时间步来提高网格节点位置的插值质量。
  • 通常，使用 DEM 求解连续相的最可靠方法是将耦合求解器与不可压缩理想气体一起使用。
  • 要缩短计算时间，减少颗粒的杨氏模量。但是，物理属性的这种变化会降低结果的准确性和有效性。

控制 DEM 时间步

默认情况下，瑞利波穿过球体表面的持续时间 (Eqn. (3244)) 限制 DEM 时间步。此外，为了正确求解颗粒碰撞，最少需要 10 个时间步 (Eqn. (3246))。颗粒在单个时间步内移动的距离将受到限制 (Eqn. (3247))，以考虑颗粒之间和颗粒与壁面之间的接触。

为了精确考虑颗粒运动，Simcenter STAR-CCM+ 使用子步来估算物理度量，例如，流量、重力（如果适用）和 DEM。默认情况下，这将导致执行动态时间步计算。

要控制时间步，可以使用以下两种方式中的一种来控制求解器的动态计算：

  1. 更改时间尺度属性以减少允许的瑞利波极限分数。
  2. 或者，在静态时间步属性中输入所需的时间步。这将导致 Simcenter STAR-CCM+ 使用输入的时间步值。勿将此选项作为第一选择，因为它可能导致收敛失败。

    要恢复动态计算，仅需在此属性中输入默认值 0.0。