Расширенный метод дискретных элементов
Расширенный метод дискретных элементов (XDEM) — это численный метод, расширяющий динамику сыпучего материала или частиц, описанную с помощью классического метода дискретных элементов (DEM) (Кундалл [1] и Аллен [2] ) дополнительными свойствами, такими как термодинамическое состояние, напряжение / деформация или электромагнитное поле для каждой частицы. В отличие от концепции механики сплошной среды , XDEM направлен на определение фазы твердых частиц с ее различными процессами, связанными с частицами. В то время как метод дискретных элементов прогнозирует положение и ориентацию в пространстве и времени для каждой частицы, расширенный метод дискретных элементов дополнительно оценивает такие свойства, как внутренняя температура и/или распределение видов или механическое воздействие на структуры.
История
[ редактировать ]Молекулярная динамика была разработана в конце 1950-х годов Алдером и др. [3] и начало 1960-х годов Рахмана [4] можно рассматривать как первый шаг на пути к расширенному методу дискретных элементов, хотя силы, возникающие вследствие столкновений между частицами, были заменены энергетическими потенциалами, например, Леннарда-Джонса потенциалами молекул и атомов как дальнодействующими силами для определения взаимодействия.
Аналогичным образом исследовалось гидродинамическое взаимодействие частиц, взвешенных в потоке. Силы сопротивления , действующие на частицы относительной скоростью их движения и потока, рассматривались как дополнительные силы, действующие на частицы. Следовательно, эти явления многофазного потока , включающие твердые частицы, например, частицы, и газообразную или жидкую фазу, определяют фазу частиц дискретными методами, в то время как поток газа или жидкости описывается непрерывными методами и, следовательно, называется комбинированной континуальной и дискретной моделью (CCDM). ) в применении Кавагути и др., [5] Хуманс, [6] Сюй 1997 г. [7] и Сюй 1998. [8] Из-за дискретного описания твердой фазы определяющие соотношения опускаются, что приводит к лучшему пониманию основ. К такому же выводу пришли Чжу 2007 и др. [9] и Чжу 2008 и др. [10] во время обзора потоков твердых частиц, смоделированных с использованием подхода CCDM. За последние два десятилетия он получил значительное развитие и описывает движение твердой фазы с помощью метода дискретных элементов (DEM) в масштабе отдельных частиц, а остальные фазы обрабатываются уравнениями Навье-Стокса . Таким образом, этот метод признан эффективным инструментом для исследования взаимодействия между частицами и жидкой фазой, как описано Ю и Сюй, [11] Фэн и Ю [12] и Дин и др. [13] На основе методологии CCDM характеристики фонтанирующих и псевдоожиженных слоев предсказаны Gryczka et al. [14]
Теоретическая основа XDEM была разработана в 1999 году Питерсом. [15] который описал сжигание деревянной движущейся кровати на решетке переднего действия. [16] Позднее эта концепция была также использована Sismsek et al. [17] прогнозировать топочный процесс колосниковой системы обжига. Шунго и др. попытались применить его к сложным процессам в доменной печи. [18] Численное моделирование закачки жидкости в газовую среду в настоящее время используется большим количеством CFD-кодов, таких как Simcenter STAR-CCM+ , Ansys и AVL-Fire. Капли аэрозоля рассматриваются с использованием нульмерного подхода для учета тепло- и массопереноса в жидкую фазу.
Методология
[ редактировать ]
Существует множество инженерных задач, включающих непрерывные и дискретные фазы, и эти проблемы невозможно точно смоделировать с помощью непрерывных или дискретных подходов. XDEM предоставляет решение для некоторых из этих инженерных приложений.
Хотя исследования и разработки численных методов в каждой области дискретных и непрерывных решателей все еще продолжаются, доступны программные инструменты. Для объединения дискретного и непрерывного подходов доступны два основных подхода:
- Монолитный подход : уравнения, описывающие мультифизические явления, решаются одновременно одним решателем, дающим полное решение.
- Разделенный или поэтапный подход : уравнения, описывающие мультифизические явления, решаются последовательно соответствующим образом адаптированными и отдельными решателями с передачей результатов одного анализа в качестве нагрузки на другой.
Первый подход требует решателя, который решает все связанные с этим физические проблемы, поэтому он требует больших усилий по реализации. Однако существуют сценарии, для которых сложно упорядочить коэффициенты комбинированных дифференциальных уравнений в одной матрице .
Последний, разделенный подход, объединяющий несколько решателей, представляющих отдельные области физики, предлагает преимущества по сравнению с монолитной концепцией. Он обеспечивает большую степень гибкости, поскольку может использовать множество решателей. Кроме того, это позволяет разрабатывать более модульное программное обеспечение. Однако разделенное моделирование требует стабильных и точных алгоритмов связи.
В рамках поэтапной концепции XDEM непрерывные поля описываются путем решения соответствующих непрерывных уравнений (сохранения). Свойства отдельных частиц, такие как температура, также определяются путем решения соответствующих уравнений сохранения, которые дают как пространственное, так и временное внутреннее распределение соответствующих переменных. Основные принципы сохранения с их уравнениями и переменными, которые необходимо решить и которые применяются к отдельной частице в XDEM, перечислены в следующей таблице.
| Закон сохранения | Уравнение | Переменная |
|---|---|---|
| Масса (сжимаемая среда) | Непрерывность | Давление/плотность |
| Линейный импульс | Навье-Стоукс | Скорость |
| Энергия | Энергия | Температура |
| Видовая масса | Видовой транспорт | Массовые доли |
| Заряд, ток | Максвелл | электрическое, магнитное поле, электрическое поле смещения |
Решение этих уравнений в принципе определяет трехмерное и переходное поле соответствующих переменных, таких как температура или вид. Однако применение этих принципов сохранения к большому количеству частиц обычно ограничивает разрешение не более чем одним репрезентативным измерением и временем из-за потребления времени процессора. Экспериментальные доказательствапо крайней мере, в реактивной инженерии поддерживается предположение об одномерности, на которое указали Ман и Бён, [19] в то время как важность временного поведения подчеркивается Lee et al. [20]
Приложения
[ редактировать ]
Проблемы, включающие как непрерывную, так и дискретную фазу, важны в таких разнообразных приложениях, как фармацевтическая промышленность, например, производство лекарств, сельское хозяйство, пищевая и перерабатывающая промышленность, горнодобывающая промышленность, строительство и сельскохозяйственное машиностроение, производство металлов, производство энергии и системная биология. Некоторыми преобладающими примерами являются кофе, кукурузные хлопья, орехи, уголь, песок, возобновляемые виды топлива, например, биомасса для производства энергии и удобрения.
Первоначально такие исследования ограничивались простыми конфигурациями потока, как указал Хуманс: [21] однако Чу и Ю [22] продемонстрировали, что метод может быть применен к сложной конфигурации потока, состоящей из псевдоожиженного слоя, конвейерной ленты и циклона. Аналогичным образом, Чжоу и др. [23] применили подход CCDM к сложной геометрии горелки с богатым/бедным топливом для сжигания пылевидного угля на электростанции, а Chu et al. [24] смоделировал сложный поток воздуха, воды, угля и частиц магнетита разного размера в циклоне плотной среды (ЦМП).
Подход CCDM также применялся к псевдоожиженному слою, как описано Роу и Ниноу. [25] и Фэн и Ю [26] и применено Фэном и Юем [27] хаотическому движению частиц разного размера в кипящем слое газа. Кафуия и др. [28] описать дискретное моделирование жидкостных частиц в псевдоожиженном слое газ-твердое тело. Дальнейшие применения XDEM включают термическую конверсию биомассы на решетках обратного и прямого действия. Теплопередача в термических/реагирующих системах твердых частиц также была решена и исследована, как всесторонне рассмотрено Peng et al. [29] Деформация сыпучий конвейерной ленты из-за удара о материал , выгружаемый через желоб, представляет собой применение в области анализа напряжений / деформаций .
 |  |  |
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кундалл, Пенсильвания; Страк, ODL (1979). «Дискретная численная модель гранулированных сборок». Геотехника . 29 : 47–65. дои : 10.1680/geot.1979.29.1.47 .
- ^ Аллен, член парламента ; Тилдесли, диджей (1990). Компьютерное моделирование жидкостей . Кларендон Пресс Оксфорд.
- ^ Олдер, Би Джей; Уэйнрайт, TE (1959). «Исследования по молекулярной динамике. I. Общий метод». Дж. Хим. Физ . 31 (2): 459–466. Бибкод : 1959ЖЧФ..31..459А . дои : 10.1063/1.1730376 .
- ^ Рахман, А. (1964). «Корреляции в движении атомов в жидком аргоне». Физ. Преподобный . 136 (2А): А405–А411. Бибкод : 1964PhRv..136..405R . дои : 10.1103/physrev.136.a405 .
- ^ Кавагути, Т.; Цудзи, Ю.; Танака, Т. (1993). «Дискретное моделирование двумерного псевдоожиженного слоя». Порошковая технология . 77 : 79–87. дои : 10.1016/0032-5910(93)85010-7 .
- ^ Хуманс, BPB; Кейперс, ДЖЕМ; Брилс, У.Дж.; Ван Сваайдж, WPM (1996). «Дискретное моделирование образования пузырьков и пробок в двумерном газовом псевдоожиженном слое: подход твердых сфер». хим. англ. Наука . 51 : 99–118. CiteSeerX 10.1.1.470.6532 . дои : 10.1016/0009-2509(95)00271-5 . S2CID 17460834 .
- ^ Сюй, Б.Х.; Ю, А.Б. (1997). «Численное моделирование газотвердого течения в псевдоожиженном слое путем сочетания метода дискретных частиц с вычислительной гидродинамикой». Химико-техническая наука . 52 (16): 2785–2809. дои : 10.1016/s0009-2509(97)00081-x .
- ^ Сюй, Б.Х.; Ю, А.Б. (1998). «Комментарии к статье о численном моделировании газотвердого течения в псевдоожиженном слое путем сочетания метода дискретных частиц с вычислительной гидродинамикой». Химико-техническая наука . 53 (14): 2646–2647. дои : 10.1016/s0009-2509(98)00086-4 .
- ^ Чжу, HP; Чжоу, ЗЯ; Ян, Р.Ю.; Ю, АБ (2007). «Дискретное моделирование систем твердых частиц: теоретические разработки». Химико-техническая наука . 62 (13): 3378–3396. дои : 10.1016/j.ces.2006.12.089 .
- ^ Чжу, HP; Чжоу, ЗЯ; Ян, Р.Ю.; Ю, АБ (2008). «Дискретное моделирование систем твердых частиц: обзор основных применений и результатов». Химико-техническая наука . 63 (23): 5728–5770. дои : 10.1016/j.ces.2008.08.006 .
- ^ Сюй, Б.Х.; Ю, А.Б. (2003). «Масштабное моделирование газотвердого течения при псевдоожижении». Журнал химической технологии и биотехнологии . 78 (2–3): 111–121. дои : 10.1002/jctb.788 .
- ^ Фэн, YQ; Ю, А.Б.; Ю, А.Б.; Винс, А. (2004). «Оценка модельных формулировок при дискретно-частичном моделировании газотвердого течения». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 43 (26): 8378–8390. дои : 10.1021/ie049387v .
- ^ Дин, Нью-Йорк; Анналанд, МВС; Ван дер Хоф, Массачусетс; Койперс, ДЖЕМ (2007). «Обзор дискретного моделирования псевдоожиженного слоя». Химико-техническая наука . 62 (1–2): 28–44. дои : 10.1016/j.ces.2006.08.014 .
- ^ Грычка, О.; Генрих, С.; Дин, Н.С.; ван Синт Анналанд, М.; Кейперс, ДЖЕМ; Мёрль, М. (2009). «CFD-моделирование призматического фонтанного слоя с двумя регулируемыми газоприемниками». Канадский журнал химической инженерии . 87 (2): 318–328. CiteSeerX 10.1.1.335.4108 . doi : 10.1002/cjce.20143 .
- ^ Питерс, Б. (1999). «Классификация режимов горения в насадочном слое на основе соответствующих масштабов времени и длины». Горение и пламя . 116 (1–2): 297–301. дои : 10.1016/s0010-2180(98)00048-0 .
- ^ Питерс, Б. (2002). «Измерения и применение модели дискретных частиц (DPM) для моделирования сгорания уплотненного слоя отдельных частиц топлива». Горение и пламя . 131 (1–2): 132–146. дои : 10.1016/s0010-2180(02)00393-0 .
- ^ Симсек, Э.; Брош, Б.; Вирц, С.; Шерер, В.; Крёлль, Ф. (2009). «Численное моделирование систем обжига с решетками с использованием связанного CFD/метода дискретных элементов (DEM)». Порошковая технология . 193 (3): 266–273. дои : 10.1016/j.powtec.2009.03.011 .
- ^ Нацуи, Сюнго; Уэда, Сигеру; Фань, Чжэнъюнь; Андерссон, Нильс; Кано, Джунья; Иноуэ, Ре; Арияма, Тацуро (2010). «Характеристики течения твердого тела и распределения напряжений, включая асимметричные явления в доменной печи, анализируемые методом дискретных элементов» . ISIJ International . 50 (2): 207–214. doi : 10.2355/isijinternational.50.207 .
- ^ Мужик, ЮХ; Бён, RC (1994). «Численное исследование горения одной частицы углерода, увлеченной постоянным потоком». Горение и пламя . 97 : 1–16. дои : 10.1016/0010-2180(94)90112-0 .
- ^ Ли, Джей Си; Йеттер, Р.А.; Драйер, Флорида (1996). «Численное моделирование лазерного зажигания изолированной углеродной частицы в спокойной среде». Горение и пламя . 105 (4): 591–599. дои : 10.1016/0010-2180(96)00221-0 .
- ^ Хуманс, BPB; Кейперс, ДЖЕМ; Брилс, У.Дж.; Ван Сваайдж, WPM (1996). «Дискретное моделирование образования пузырьков и пробок в двумерном газовом псевдоожиженном слое: подход твердых сфер». хим. англ. Наука . 51 : 99–118. CiteSeerX 10.1.1.470.6532 . дои : 10.1016/0009-2509(95)00271-5 . S2CID 17460834 .
- ^ Чу, КВ; Ю, АБ (2008). «Численное моделирование сложных течений частиц и жидкости». Порошковая технология . 179 (3): 104–114. дои : 10.1016/j.powtec.2007.06.017 .
- ^ Чжоу, Х.; Мо, Г.; Чжао, Дж.; Цен, К. (2011). «DEM-CFD-моделирование дисперсии частиц в двухфазном потоке газ-твердое тело для горелки с богатым/бедным топливом». Топливо . 90 (4): 1584–1590. дои : 10.1016/j.fuel.2010.10.017 .
- ^ Чу, КВ; Ван, Б.; Ю, А.Б.; Винс, А.; Барнетт, Джорджия; Барнетт, Пи Джей (2009). «Исследование CFD-DEM влияния распределения плотности частиц на многофазный поток и производительность циклона с плотной средой». Минеральное машиностроение . 22 (11): 893–909. дои : 10.1016/j.mineng.2009.04.008 .
- ^ Роу, Пенсильвания; Нинов, AW (1976). «Смешивание и сегрегация частиц в псевдоожиженном слое газа: обзор». Порошковая технология . 15 (2): 141–147. дои : 10.1016/0032-5910(76)80042-3 .
- ^ Фэн, YQ; Ю, А.Б.; Ю, А.Б.; Винс, А. (2004). «Оценка модельных формулировок при дискретно-частичном моделировании газотвердого течения». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 43 (26): 8378–8390. дои : 10.1021/ie049387v .
- ^ Фэн, YQ; Ю, АБ (2008). «Анализ хаотического движения частиц разного размера в кипящем слое газа». Партикуология . 6 (6): 549–556. дои : 10.1016/j.partic.2008.07.011 .
- ^ Кафуия, КД; Торнтон, К.; Адамс, MJ (2002). «Дискретное жидкостное моделирование газотвердых псевдоожиженных слоев». Химико-техническая наука . 57 (13): 2395–2410. дои : 10.1016/s0009-2509(02)00140-9 .
- ^ Пэн, З.; Дорудчи, Э.; Мохтадери, Б. (2020). «Моделирование теплопередачи с помощью метода дискретных элементов (DEM) тепловых процессов: разработка теории и модели». Прогресс в области энергетики и науки о горении . 79, 100847: 100847. doi : 10.1016/j.pecs.2020.100847 . S2CID 218967044 .