泥沙输送的DEM-CFD耦合案例
1 背景
泥沙等不溶物通常以小颗粒形式存在于水中,形成悬浮液体系。Ansys体系中,悬浮液体系的仿真有以下方法:
- Fluent的欧拉多相流模型
- Fluent的DPM(离散相模型)
- Fluent+Rocky耦合
上述三类方法中,若需要考虑颗粒物的凝聚、沉淀、附着等现象,必须使用Fluent+Rocky耦合的方法仿真。
2 仿真模型
2.1 概述
本案例基于2024R2版本制作。仿真模型为如图所示的管路,其流动介质为清水,分析水中泥沙流动和沉淀、附着管路等现象。
Fluent和Rocky的信息传递采用双向耦合,其交互模式如图所示。
2.2 Fluent设置
Fluent中采用瞬态仿真,并开启欧拉多相流模型。
多相流中需要设置两个相,分别为水和颗粒,且水作为主相。颗粒的材料属性可为任意值,其实际分布基于Rocky的计算结果确定。
相间作用主要考虑颗粒的阻力特性,采用Schiller-Naumann模型。
在边界条件设置中,入口和出口回流的颗粒相体积分数必须设置为0。
Fluent中的数值计算方法设置如图所示。压力-速度耦合选项中,Fluent-Rocky的双向耦合仅支持“Phase coupled SIMPLE”选项,其他部分采用一阶迎风格式增加数值稳定性。
对Fluent的模型运行形成初始流场。
2.3 Rocky设置
作用力设置中,需要考虑颗粒黏着力的作用。
泥沙的颗粒尺寸通常为微米层级,此模型中需要计算的颗粒数为数十亿量级。由于硬件算力关系,直接计算每一个颗粒的运动过程难以实现。开启粗颗粒模型(Coarse-Graining Model),通过代表性颗粒代替大量颗粒从而简化运算。
CGM放大系数设置为30,则Rocky中的一个颗粒等效于30^3即27000个实际颗粒。
在颗粒之间和颗粒与管道相互作用部分需要设置黏着力的相关内容。
为了避免一开始就黏着,建议Rocky中颗粒的入口尺寸稍小于管路尺寸。
在Rocky的CFD耦合部分,设置为Fluent双向耦合模式,并指定Fluent的相关文件路径以及运行方式。
从Rocky中启动计算,Rocky会自动调用Fluent进行计算。
3 仿真结果
Rocky仿真的中途时刻颗粒分布如图所示。
局部放大后,可看到颗粒凝聚成团和附着管壁现象。
Fluent仿真的体积分数和水流速度中间时刻分布如图所示。
4 注意事项
1 在安装Rocky时需要安装Fluent耦合插件,否则无法进行双向耦合。
2 Rocky项目文件路径严禁出现空格,否则会运行出错。例如文件夹“D:\Folder 1”,需要改名为“D:\Folder-1”以消除空格;Rocky文件也类似,禁止出现“Particle Simulation.rocky”之类存在空格的文件名。