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计算流体力学和离散元耦合方法的计算流体力学和离散元耦合方法的 研究进展研究进展 胡海军胡海军 博士博士 第第5届中国水利水电岩土力学与工程学术讨论会届中国水利水电岩土力学与工程学术讨论会 2014.9.1721 宜昌宜昌 , , 中国中国 西北农林科技大学西北农林科技大学 水利与建筑工程学院水利与建筑工程学院 1. 研究背景研究背景 提提 纲纲 3. CFD-DEM耦合方法的研究进展耦合方法的研究进展 4. 结论和展望结论和展望 2. 流体流体-颗粒耦合分析的数学模型颗粒耦合分析的数学模型 1. 研究背景研究背景 管涌或流砂管涌或流砂 风沙现象风沙现象 泥石流泥石流 河道冲刷河道冲刷 1. 研究背景研究背景 真空吸泥真空吸泥 流化床流化床 颗粒物质的装模颗粒物质的装模 5 2.流体流体-颗粒耦合分析的数学模型颗粒耦合分析的数学模型 （（1 1）双相流模型）双相流模型 （（2 2））CFDCFD- -DEMDEM耦合模型耦合模型 视流体、颗粒相分别为连续的相，各相满足相应的三大方程。两相视流体、颗粒相分别为连续的相，各相满足相应的三大方程。两相 流的整体运动可由流体和固体的某种平均（如体积平均）得到。该方法流的整体运动可由流体和固体的某种平均（如体积平均）得到。该方法 又称为欧拉又称为欧拉-欧拉方法。对稀相流比较适用。欧拉方法。对稀相流比较适用。 视流体为连续体或离散体，视颗粒为离散体。两者之间的作用力根据视流体为连续体或离散体，视颗粒为离散体。两者之间的作用力根据 相互运动和颗粒表面液压差计算；流体运动采用计算流体力学方法（相互运动和颗粒表面液压差计算；流体运动采用计算流体力学方法（CFD）） 计算；颗粒运动采用离散法（计算；颗粒运动采用离散法（DEM）计算，考虑了颗粒之间的碰撞及颗粒）计算，考虑了颗粒之间的碰撞及颗粒 间直接接触产生的作用力。稀相流和密相流均适用。间直接接触产生的作用力。稀相流和密相流均适用。 6 3. CFD-DEM耦合方法的研究进展耦合方法的研究进展 计算流体力学计算流体力学（（CFD）采用有限差分法）采用有限差分法FDM、有限元法、有限元法FEM、有限体、有限体 积法积法FVM、光滑粒子流体动力学方法、光滑粒子流体动力学方法SPH或离散格子波尔兹曼方法或离散格子波尔兹曼方法 LBM求解基于求解基于N-S方程的流体流速和压强。代表性的计算程序有商业方程的流体流速和压强。代表性的计算程序有商业 软件软件FLUENT、、FIDAP、、CFX、、PHONICS，开源程序，开源程序OpenFOAM、、 Overtrue和和Fenics。。 离散单元法离散单元法（（DEM）将颗粒等效为圆盘或球体，通过设定的颗粒间）将颗粒等效为圆盘或球体，通过设定的颗粒间 接触力与接触位移之间的关系，得到颗粒介质在外荷载作用下的力学接触力与接触位移之间的关系，得到颗粒介质在外荷载作用下的力学 响应。代表性的计算程序有商业软件响应。代表性的计算程序有商业软件PFC2d和和PFC3d，开源程序，开源程序Yade，， 源程序源程序GRANULE。。 7 3. CFD-DEM耦合方法的研究进展耦合方法的研究进展 Tsuji（（1993））[1] 首次将首次将CFD引入到引入到DEM源程序，模拟固体颗粒中气体的源程序，模拟固体颗粒中气体的 流动；存在的问题是流动；存在的问题是球体刚度很小球体刚度很小；；Hoomans等（等（1996 ）对球体刚度采）对球体刚度采 用无穷大，即用无穷大，即硬球模型硬球模型；；Xu和和Yu（（1997）采用）采用符合实际球体刚度的软球符合实际球体刚度的软球 模型模型，使得颗粒间重叠量在合理范围。，使得颗粒间重叠量在合理范围。Kawaguchi等（等（1998）将二维耦合）将二维耦合 分析推广到三维。分析推广到三维。 Potapov等（等（2001））[3] 首次应用无网格拉格朗日的光滑离子流体动力学首次应用无网格拉格朗日的光滑离子流体动力学 方法（方法（SPH方法）和离散元结合的方法来计算流体方法）和离散元结合的方法来计算流体-颗粒耦合的问题。颗粒耦合的问题。 Ladd等（等（1994））[2]首次应用离散格子玻尔兹曼方法（首次应用离散格子玻尔兹曼方法（LBM）和离散元）和离散元 结合的方法来计算流体结合的方法来计算流体-颗粒耦合的问题。颗粒耦合的问题。 [1]Tsuji Y, Kawaguchi T, Tanaka T. Discrete particle simulation of two-dimensional fluidized bed[J]. Powder technology, 1993, 771 79-87. [3] Potapov A V, Hunt M L , Campbell C S. Liquid–solid flows using smoothed particle hydro -dynamics and the discrete element [J]. Powder Technology, 2001, 1162-3 204–213. [2] Ladd A J C. Numerical simulations of particulate suspensions via a discretized Boltzmann equation Part I. Theoretical foundation[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1994, 271-285. CFD-DEM耦合分析方法已经应用于工业生产，风沙运移，岩土工程等领域的耦合分析方法已经应用于工业生产，风沙运移，岩土工程等领域的 研究中。研究中。 在工业生产领域，该方法已经成功运用于颗粒材料的分离、颗粒装模，气动传输、在工业生产领域，该方法已经成功运用于颗粒材料的分离、颗粒装模，气动传输、 矿物搅拌等工程问题中。矿物搅拌等工程问题中。 硫化床（余艾冰团队）硫化床（余艾冰团队） （（a）空气中装模）空气中装模 颗粒装模分析（颗粒装模分析（ Guo等，2009）） （（b）真空中装模）真空中装模 9 风沙运动现象的模拟（孙其诚和王光谦，风沙运动现象的模拟（孙其诚和王光谦，2001）） 在风沙移动方面在风沙移动方面 10 在岩土工程方面在岩土工程方面 不排水双轴剪切试验不排水双轴剪切试验 △△ε1 △△ε3 -△△ε3 等体积法（等体积法（Dobry和和Ng，，1992）） 超孔压的考虑（超孔压的考虑（Shamy和和Zeghal, 2005）） 一维固结试验（一维固结试验（Zhao J D等等 ，，2013 ）） 渗流和渗透稳定性方面渗流和渗透稳定性方面 滤层反滤（滤层反滤（Zou Y H等，等，2013）） 管涌分析（倪小东，管涌分析（倪小东，2006）） 管涌分析（周健等，管涌分析（周健等，2008）） 渗流和管涌渗流和管涌 流砂分析流砂分析 （蒋明镜和胡海军，（蒋明镜和胡海军，2008）） 12 模型模型 地层在注入水后的变形地层在注入水后的变形 Cui X.L., Li J., Chan A. et al. A 2D DEM–LBM study on soil behaviour due to locally injected fluid[J] Particuology, 2012, 10242-252 土体颗粒间胶结强度不同时土体颗粒间胶结强度不同时 无胶结无胶结 胶结强度与胶结强度与 自重应力之比为自重应力之比为5 胶结强度与胶结强度与 自重应力之比为自重应力之比为20 孔口速度为孔口速度为0.875m/s时时 孔口速度为孔口速度为2m/s时时 环境岩土工程方面环境岩土工程方面 13 4. 结论和展望结论和展望 （（2）目前依然以传统计算流体力学）目前依然以传统计算流体力学-离散元耦合方法为主，离散元耦合方法为主， 新的计算流体方法如新的计算流体方法如SPH方法方法和和LBM方法方法，更适应于，更适应于复杂复杂 边界条件边界条件和和瞬态情况下瞬态情况下流体场的计算，在其与离散元耦合流体场的计算，在其与离散元耦合 分析中将发挥出更大优势。分析中将发挥出更大优势。 （（1））CFD-DEM分析方法已经应用于工业生产，风沙分析方法已经应用于工业生产，风沙 运移，岩土工程等领域，用于运移，岩土工程等领域，用于优化生产工艺优化生产工艺、、检验已有检验已有 理论理论和和揭示宏观现象的微观机理揭示宏观现象的微观机理。目前存在的问题在于。目前存在的问题在于 离散元方面离散元方面计算很耗时计算很耗时。。 14 谢谢 谢谢 敬请各位专家和同学批评指正敬请各位专家和同学批评指正
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