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.
Czym jest sprzężenie CFD-DEM?
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
Główną 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.https://www.youtube.com/embed/LlF_Koe34jg?rel=0&fs=1&wmode=transparent
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.
Farmaceutyczne 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.