» Modelowanie materiałów sypkich w Rocky DEM

Modelowanie materiałów sypkich w Rocky DEM

Rocky DEM jest najpotężniejszym na rynku oprogramowanie do symulacji metodą elementów dyskretnych. Dużą zaletą Rocky DEM jest możliwość modelowania fazy dyskretnej w formie dowolnego kształtu (W większości systemów tworzone są kształty sferoidalne). Jego możliwości są dodatkowo poszerzone przez łatwe dwukierunkowe sprzężenie z ANSYS Mechanical i ANSYS FLUENT.

Rys. 1 Przykład kształtu cząstek

Metoda DEM

Metoda ta polega na bezpośrednim śledzeniu cząstek jako elementów dyskretnych. Pozwala to na dokładniejsze modelowanie oddziaływań cząstek na siebie wzajemnie jak również na ściany zawarte w geometrii. Rocky-DEM umożliwia również na uwzględnienie parametrów materiałowych cząstek jak oraz sposób ich niszczenia. Dodatkowo, program pozwala na analizę zużycia materiału oraz wymianę ciepła między cząstkami a ścianami oraz, przy połączeniu z programem Fluent na wymianę ciepła z płynem. Rocky-DEM wyróżnia się na tle konkurencji możliwością dowolnego kształtowania cząstek. Możliwy jest wybór cząstek z bogatej biblioteki, jak również użycie własnej geometrii w formacie STL (Rys. 1), co przy wykorzystaniu możliwości inżynierii odwróconej pozwala dużo dokładniej odwzorować zachodzące procesy.

CFD – DEM coupling. Sprzężenie symulacji DEM i CFD.

W przedstawionym przykładzie, do symulacji zamrażania owoców wykorzystano dwukierunkowe połączenie programu Rocky-DEM oraz ANSYS Fluent 18.2. Zamrażanie odbywa się na sicie wibracyjnym poprzez przepływ zimnego powietrza od spodu sita (Rys. 2).

Ruch cząstek oraz sita zadany został w programie Rocky-DEM, natomiast przepływ powietrza rozpatrywany był w programie ANSYS Fluent 18.2. Podobnie jak w poprzednim przykładzie, Rocky-DEM pozwala na uproszczenie procesu obliczeń i wykorzystanie jako pliku wejściowego geometrii pliku CAS, wygenerowanego w programie ANSYS Fluent. Ponadto, każdy ruch siatki, zapisany w pliku CAS zostanie przypisany do odpowiedniej geometrii w programie
Rocky-DEM. Dodatkową zaletą jest możliwość symulacji ruchu geometrii bez jej fizycznego przemieszczenia. Odbywa się to poprzez zdefiniowanie ruchu w programie Rocky-DEM, a następnie wybranie opcji „keep in place”. Powoduje to, że na węzłach wybranej geometrii przekazywana cząstkom jest informacja o prędkości bez fizycznego przemieszczenia geometrii. Jest to niezwykle przydatne na przykład w celu modelowania skomplikowanej geometrii przenośników taśmowych (Rys. 3).

Rys. 3 Przykład trasy przenośnika taśmowego

DEM – FEM coupling. Sprzężenie symulacji DEM i MES

Możliwości wykorzystania kodu Rocky-DEM do symulacji obciążeń mechanicznych z zostały przedstawione na przykładzie napełniania wagonu kolejowego z wykorzystaniem połączenia z programem ANSYS Mechanical 18.2.

Konstrukcja wagonu została uproszczona do powierzchni wewnętrznych, a obciążeniem działającym na te powierzchnie były cząstki, spadające do wnętrza wagonu. Symulacja pozwoliła na zbadanie nie tylko naprężeń i odkształceń wynikających z rozmieszczenia masy wewnątrz wagonu, jak również na zbadanie zmienności tych parametrów w czasie napełniania (rys. 4-5).

Rys. 4 Napełnianie wagonu cząstkami w programie Rocky-DEM
Rys. 5 Analiza naprężeń powstałych w wyniku napełniania

Warto również wspomnieć, że importowaną do programu Rocky-DEM geometrią może być plik MSH, czyli siatka numeryczna wykorzystana w symulacji mechanicznej. Pozwala to na zachowanie spójnej siatki i jednakowego pola ciśnienia dla obu symulacji – DEM oraz FEM. Kolejną zaletą takiego rozwiązania jest na spora oszczędność czasu pracy ponieważ nie ma w tym przypadku potrzeby generowania dodatkowej siatki na potrzeby symulacji DEM.

Modelowanie procesu mieszania

Na przykładzie złoża fluidalnego zaprezentowano możliwości wykorzystania programu Rocky-DEM do modelowania zjawiska mieszania (Rys. 6). W przeciwieństwie do powszechnie stosowanych metod, metoda DEM umożliwia dokładne śledzenie poszczególnych cząstek lub całych grup. W przedstawionym przykładzie, złoże w stanie początkowym podzielono na 8 części, a poszczególnym cząstkom przypisano przynależność do danej grupy w wybranym momencie symulacji (tutaj stan początkowy). Następnie aktywowano połączenie pomiędzy programami w celu symulacji procesu fluidyzacji. Należy również nadmienić, że wszystkie operacje post-processing’u mogą być wykonywane i zapisywane w trakcie obliczeń, wliczając w to możliwość renderowania animacji.

W celu walidacji wyników obliczeń wykorzystano doświadczenie w modelowaniu złóż fluidalnych przy użyciu metody Euler-Euler oraz hybrydowej metody Euler-Lagrange (model DDPM). W badanej domenie wyznaczono powierzchnie pomiarowe, na których mierzono spadek ciśnienia złoża jako średnią po czasie i powierzchni. Wyniki tej symulacji przedstawia Rys. 7. Jak łatwo zauważyć, wszystkie metody dały porównywalne wyniki spadku ciśnienia, będącego podstawowym parametrem walidacji obliczeń numerycznych złóż fluidalnych.

Rys. 7 Rozkład ciśnienia na wysokości złoża

Zasadniczą przewagą metody DEM, przy wykorzystaniu programu Rocky-DEM jest możliwość wyboru, jakie zasoby ma obciążyć dany program. W powyższej symulacji, program Rocky-DEM wykonywał obliczenia obciążając jednostkę GPU, natomiast Fluent jednostkę CPU. Rozwiązanie takie przyspiesza obliczenia poprzez brak konieczności współdzielenia zasobów pomiędzy programami.