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Ansys博客

August 4, 2023

探秘离散单元法

Intro to DEM banner

DEM的工作原理是什么?

每种DEM软件的基本工作原理是检测颗粒碰撞并计算接触力。这是使用软球法实现的,其中颗粒为刚性体,接触处的任何变形都被建模为重叠。DEM可系统地跟踪域中的每个颗粒,有利于预测每个颗粒在下一个时间步长的位置。

颗粒形状在DEM中的重要性

颗粒的流动会受到其形状的显著影响。虽然球体可以实现简单的接触检测和单个接触点,但这种形状在现实世界中并不常见。因此,对其它形状进行建模至关重要,这是Ansys Rocky等工具提供的一项功能。

多面体等真实颗粒形状在其堆叠密度、平动和转动、剪切和联锁期间膨胀、以及材料强度等方面有所不同。然而,由于接触检测颗粒重叠要求,对真实颗粒形状进行建模可能会增加计算需求。

GPU处理和粗颗粒建模在DEM仿真中的作用

GPU处理是DEM仿真的一个重要方面。鉴于DEM在每个时间步长跟踪每个颗粒,GPU处理可以在不降低准确性的情况下显著加速这一流程。

对于颗粒数量非常大的情况,可以采用粗颗粒建模。该方法使用较大的颗粒来表示一组较小的颗粒,从而减少了颗粒总数,最终提高了计算效率。

高级DEM技术:与CFD和SPH耦合

为了分析颗粒上的流体力和流动,计算流体动力学(CFD)可以与DEM有效耦合。该方法可用于基于网格的方法和任何颗粒形状。

流体动力学中越来越广泛使用的一种技术是光滑粒子流体动力学(SPH)与DEM的耦合。该方法在捕获没有扩散误差的复杂自由表面流方面表现出色,尤其适用于涉及飞溅或表面破碎的情况。SPH-DEM方法使用拉格朗日无网格方法,通过将流体动力学离散成一组流体单元来捕获它们。然后使用核函数对颗粒进行插值,以计算局部变量的平滑场。

离散单元法的应用:Ansys Rocky

Ansys Rocky可为散体材料处理行业的工程师提供一个独特的平台,通过映射流程、材料和几何变量的动态相互作用来计算分析其流程。

为了获得更多的洞察,Rocky允许使用多种高级物理模型,包括:

  • 多物理场模型:Rocky与Ansys技术完全集成,实现与计算流体动力学(CFD)、有限元法(FEM)和格子玻尔兹曼方法(LBM)软件包进行高级耦合,以准确仿真多相多组分流动。

  • 复杂的颗粒形状:自定义3D和2D颗粒可实现颗粒的逼真表达,包括高纵横比纤维;其可成为刚性体或柔性体。

  • 复杂的运动:可以轻松指定复杂的运动。此外,还可以在Rocky中指定具有6个自由度的自由体运动,无需外部多体动力学(MBD)软件。

  • 破碎模型:包含完善的颗粒破损模型,如ABT10和Tavares模型。

Energy spectra