Szukaj Logowanie Kontakt
             Kontakt Blog Kalendarz

  ANSYS Elite Channel Partner ANSYS Polska ANSYS Logo cropped 164px

ANSYS Elite Channel Partner ansys logo czarne tlo SMALL ANSYS Logo cropped 164px
    ANSYS Elite Channel Partner

Wprowadzenie

Na całym świecie można odnaleźć przykłady oddziaływań płynu na cząstki. By posiadać wiedzę z zakresu m.in. powlekania tabletek, przepływu wielofazowego w odkurzaczu czy też zjawiska erozji występującego w pyłoprzewodach.

Wyzwanie polega na tym, że klasyczne oprogramowanie związane Metodą Elementów Dyskretnych (DEM) zakłada, że cząsteczki są kuliste. Taki idealny przypadek jest jednak rzadko spotykany w rzeczywistości. W przypadku konieczności uwzględnienia innego kształtu cząstek oraz ich interakcji z przepływem płynu, można wykonać symulację sprzężoną, łączącą ze sobą Obliczeniową Mechanikę Płynów CFD i DEM z wykorzystaniem ANSYS Fluent i Rocky DEM od ANSYS Channel Partner ESSS.

rys1

 

Czym jest sprzężenie CFD-DEM?

rys2

Sprzężenie to polega na transferze informacji pomiędzy solverem rozwiązującym przepływ płynu a solverem rozwiązującym ruch cząstek. Przepływ płynu (np. powietrza) realizowany jest w tym przypadku w ANSYS Fluent, natomiast ruch cząstek w oprogramowaniu Rocky DEM. Istnieją dwa typy sprzężenia CFD-DEM: jedno i dwu-kierunkowe.

Jednokierunkowe sprzężenie CFD-DEM zwykle wykorzystywane jest w symulacjach przepływów rozcieńczonych. Przy tego typu podejściu pole prędkości płynu ma wpływ na przepływ cząsteczek, które z kolei nie wpływają na płyn.

Dwukierunkowe sprzężenie CFD-DEM stosowane jest do symulowania przepływów o dużej koncentracji cząstek. W tego typu przypadkach przepływ płynu ma wpływ na ruch cząsteczek, a te oddziałują na płyn.

W obydwu metodach wszystkie cząsteczki są śledzone przez solver DEM. Takie podejście nazywane jest metodą Lagrange’a. Solver DEM rozwiązuje równania, związane z  ruchem cząstek (zarówno translacyjnym jak i obrotowym) oraz bilans energii. Równania te stanowią część sprzężenia CFD-DEM i uwzględniają wartość netto siły i momentu, przyłożonych do każdej z cząsteczek poprzez płyn.

W sprzężeniu dwukierunkowym wymiana informacji między CFD i DEM zachodzi w obie strony. Ciśnienie i prędkości płynu, obliczane przez oprogramowanie ANSYS Fluent są wykorzystywane przez Rocky DEM do obliczania udziału objętościowego fazy granularnej wraz z pędem i energią, która wymieniana jest między cząsteczkami a fazami płynnymi. Wartości te przenoszone są następnie do solvera CFD, aby ten mógł zaktualizować wartości ciśnień i prędkości płynu. Ta dwukierunkowa wymiana informacji realizowana jest dla każdego kroku czasowego.

 

Korzyści płynące ze sprzężenia Fluent - Rocky DEM

rys3Główną zaletą wynikającą z połączenia oprogramowania ANSYS Fluent i Rocky DEM jest to, że użytkownik ma możliwość wykonania symulacji, w której cząstki mają unikalne, niekuliste kształty. W ten sposób jest w stanie lepiej przewidzieć zachowanie rzeczywistego złoża, dzięki precyzyjnemu odwzorowaniu reprezentacji kształtów. Ponadto, istnieje możliwość odwzorowania sił wywołanych przepływem cieczy na cząstkę.

Rocky DEM umożliwia wykorzystanie niestandardowych kształtów cząstek takich jak:

- cząstki pełne (skały, tabletki),

- elastyczne włókna (np. sierść, słoma),

- cząsteczki typu shell (np. pasy transmisyjne, płachty materiału).

Co więcej, użytkownik ma możliwość odwzorowywania lepkości i wilgoci materiału przy użyciu jednego z modeli adhezyjnych, dostępnych w Rocky DEM.

Kolejną zaletą oprogramowania Rocky DEM jest fakt, że solver DEM śledzi nie grupę cząstek, a każdą pojedynczą cząsteczkę z osobna a co za tym idzie, istnieje pełna historia ruchu drobin w domenie. Rocky DEM może monitorować na przykład:

- prędkości cząsteczek,

- temperatury cząsteczek,

- dane o kontakcie między cząsteczkami wraz z poziomem energetycznym kolizji.

Dodatkową zaletą jest fakt, że post-processing wyników symulacji może odbywać się w trakcie trwania obliczeń, co pozwala na zaoszczędzenie czasu i finalne skrócenie procesu symulacji.

W przypadku symulacji z dużą liczbą cząstek, Rocky DEM łączy moc przetwarzania wielu jednostek graficznych (GPU). Oznacza to, że in może również jednocześnie łączyć moc obliczeniową kilku GPU z dostępną w ANSYS Fluent możliwością przetwarzania równoległego CPU, co znacząco skraca czas realizacji symulacji CFD-DEM.

 

Rzeczywiste wzorce dla sprzężonych symulacji CFD-DEM 

Symulacje CFD-DEM można wykorzystać do badania różnych zastosowań przemysłowych i komercyjnych. Przykładowo, symulacja CFD-DEM może być wykorzystana do modelowania powlekania fluidyzacyjnego. W tego typu aplikacji, cząstki podlegają fluidyzacji w czynniku przepływającym z dna. Wpływ kształtu cząstek na globalne zachowanie złoża, spadek ciśnienia i stopień wymieszania bywa w takim przypadku znaczący.

Symulacje sprzężone z CFD-DEM mogą znaleźć zastosowanie przy modelowaniu odkurzaczy cyklonowych,  używanych do czyszczenia z sierści zwierząt domowych. Ruch pasm włosów w cyklonie można symulować za pomocą jednokierunkowego sprzężenia między oprogramowaniem Fluent, a modelem elastycznych włókien w Rocky DEM. Symulacji tej można użyć do koncepcyjnego testowania urządzeń, co zmniejsza liczbę fizycznych testów laboratoryjnych - minimalizując czas i koszty opracowywania.

rys4

rys5Farmaceutyczne urządzenia do powlekania tabletek można modelować za pomocą dwukierunkowego sprzęgania CFD-DEM, wielu domen i niezgodnych, ruchomych siatek podziału obszaru obliczeniowego. Niestandardowy kształt cząstek może być wykorzystany do dokładnego przewidywania temperatury tabletki, w przypadku gdy gorące powietrze przepływa wewnątrz urządzenia. Symulacja umożliwia użytkownikowi przewidywanie dopuszczalnego czasu przebywania cząstek w różnych warunkach pracy oraz rozkładu ich temperatur.

Sprzężenie CFD-DEM może być także wykorzystane do modelowania zjawiska erozji w przewodach rurowych. Przy tego typu zjawiskach, cząstki niesione przez gaz uderzają w rurę w miejscu jej zagięcia. Siła oporu jest obliczana dla każdej cząstki  na podstawie jej kształtu, prędkości względem gazu i interakcji z powierzchnią rury. Symulacji tego rodzaju można użyć do wyznaczenia obszarów rury narażonych na zużycie.

Sprzężone symulacje CFD-DEM zapewniają użytkownikom wiedzę potrzebną do optymalizacji, prognozowania i projektowania sprzętu i procesów związanych z nimi.

 

 

Źródło artykułu

ANSYS Blog

Powiadomienia

Chcesz wiedzieć gdy dodamy nowy artykuł? Wybierz kategorię, która Cię interesuje!

ANSYS WORKBENCH

Oprogramowanie

STREFA AKADEMICKA