شبیه سازی المان گسسته برای ذرات غیرکروی با کوپلینگ (Coupling) و جفت سازی بین انسیس فلوئنت و Rocky DEM
نرم افزار انسیس فلوئنت به شما این امکان را می دهد که از روش المان گسسته (Discrete Element Method) به عنوان بخشی از قابلیت مدل فاز گسسته (DPM) برای شبیه‌سازی‌های خود استفاده کنید. روش المان گسسته که به اختصار (DEM) نیز نامیده میشود و به کمک نرم افزار Rocky DEM قابل اجراست، یکی از روشهای عددی برای محاسبه فعل و انفعالات بین ذرات است.
کاربردهای روش المان گسسته
یکی از فرضیات اصلی روش المان گسسته، وجود ذرات مجزا درون ماده مورد بررسی است. این ذرات میتوانند شکل و خواص متفاوتی داشته باشند؛ به عنوان مثال:
- شکر
- مواد فله‌ای
- پودرها
صنایع مختلفی از روش المان گسسته برای حل مسائل پیش روی خود استفاده میکنند. برخی از این صنایع عبارت‌اند از:
- داروسازی
- متالورژی پودر
- صنایع نفت و گازی
- صنایع شیمیایی
استفاده از کوپلینگ بین دینامیک سیالات محاسباتی-المان گسسته (CFD-DEM) برای مدلسازی ذرات غیرکروی و جریان سیال
مدل CFD-DEM یا مدل روش محاسبه دینامیک سیالات / المان گسسته، فرآیندی است که برای مدلسازی یا شبیه‌سازی سیستم‌های ترکیبی مایعات با جامدات یا ذرات استفاده میشود. در CFD-DEM، حرکت جامدات گسسته یا فاز ذرات با استفاده از روش المان گسسته بدست می‌آید که قوانین حرکت نیوتن را برای هر ذره اعمال میکند، در حالی که جریان مایع توسط معادلات محلی ناویر – استوکس متوسط گیری شده (RANS) توصیف میشود که با استفاده از روش سنتی دینامیک سیالات محاسباتی می توان حل کرد. فعل و انفعالات بین فاز سیال و فاز جامد با استفاده از قانون سوم نیوتن مدلسازی میشود.
جهان ما پر از فعل و انفعالات ذرات و سیالات است. از روکشهای قرص، جاروبرقی و فرسایش لوله‌ها، مهندسان باید این کاربردها را مطالعه کنند تا از بهینه سازی محصولاتشان اطمینان حاصل کنند. چالشی که با آن روبرو هستیم این است که دینامیک سیالات محاسباتی سنتی و نرمافزارهای روش المان گسسته، از یک فرض تبعیت میکنند و آن این است که ذرات کروی هستند در حالیکه میدانیم این فرض برای تمام مسائل صادق نمیباشد.
چندین قابلیت Rocky DEM را از سایر کدهای المان گسسته جدا میکند، از جمله اشکال غیر گرد ذرات، توانایی شبیه‌سازی شکستگی ذرات بدون از دست دادن جرم یا حجم، تجسم کاهش سطح مرز در اثر سایش و غیره. سازمان‌های معدنی و تولیدی در سراسر جهان برای ارزیابی سیستم‌های حمل و نقل مواد عمده خود، نرم افزار Rocky DEM را انتخاب میکنند زیرا Rocky DEM جریان‌های دانهای ریز را به سرعت، با دقت و شباهت بیشتری به شرایط دنیای واقعی نسبت به گذشته شبیه سازی میکند.
برای انجام شبیه سازی به روش المان گسسته و با کمک نرم افزارهای انسیس فلوئنت ANSYS Fluent و راکی دی‌ای‌اِم Rocky DEM که با عنوان CFD-DEM شناخته میشود، از طریق این لینک با ما در ارتباط باشید.
چگونگی کارکرد دینامیک سیالات محاسباتی-روش المان گسسته (CFD-DEM)
برای جفت کردن مدل های CFD-DEM دو روش وجود دارد:
- استفاده از ارتباط یکطرفه
- استفاده از ارتباط دوطرفه
هنگام شبیه‌سازی جریان‌های رقیق، معمولاً از اتصال CFD-DEM یکطرفه استفاده میشود. در این روش، میدان سیال بر جریان ذرات تأثیر میگذارد، اما ذرات بر جریان سیال تأثیر نمیگذارند.
هنگام شبیه‌سازی جریان‌های غلیظ، از اتصال CFD-DEM دوطرفه استفاده میشود. در این حالت جریان سیال بر حرکت ذرات تأثیر میگذارد و ذرات نیز به نوبه خود بر حرکت سیال تأثیر میگذارند.
در هر دو روش تمام ذرات توسط حلگر المان گسسته که از روشهای لاگرانژی استفاده میکند، ردیابی میشوند. حلگر المان گسسته به صورت صریح (Explicit) معادلاتی را که بر حرکت ذرات و انرژی حاکم هستند، حل میکند. برای محاسبه کسر حجمی فاز ذرات که دارای سرعت هستند و همچنین انرژی رد و بدل شده بین ذرات و فازهای سیال، نرمافزار Rocky DEM از فشار و سرعتی که توسط انسیس فلوئنت بدست آمده است استفاده میکند. سپس این مقادیر به یک حلگر دینامیک سیالات محاسباتی مانند فلوئنت منتقل می شوند تا بتوانند فشار و سرعت سیال را به روز کنند. این تبادل اطلاعاتِ همزمان بین فلوئنت و Rocky DEM، برای هر گام زمانی، تا زمان همگرایی ادامه مییابد.
مزایای کوپل یا جفت کردن فلوئنت و Rocky DEM
مزیت اصلی استفاده موازی از نرمافزارهای فلوئنت و Rocky DEM این است که مهندسان میتوانند با دقت شبیه‌سازی‌هایی را انجام دهند که در آنها ذرات دارای اشکال منحصر به فرد و غیرکروی هستند. این شبیه‌سازی‌ها به دلیل نمایش دقیق شکل توسط Rocky DEM، با ترکیب کردن قوانین آن برای محاسبه نیروهای سیال روی ذرات، بهتر میتوانند رفتارهای واقعی را پیشبینی کنند. مهندسان میتوانند شکل‌های مختلفی از قبیل :
- ذرات محدب دلخواه
- ذرات مقعر دلخواه
- الیاف انعطاف پذیر
- ذرات پوسته
را مدلسازی کنند.
به همین ترتیب، مهندسان می توانند مواد چسبنده و منسجم را با استفاده از یکی از مدل‌های چسبندگی Rocky DEM شبیه‌سازی کنند. علاوه بر این، از آنجا که حل کننده‌ی روش المان گسسته هر ذره را ردیابی میکند، تاریخچه کاملی از حرکت ذرات در داخل دامنه وجود دارد. به عنوان مثال، Rocky DEM می تواند ویژگی‌های زیر را برای ذرات ردیابی کند:
- سرعت
- دما
- اطلاعات برخورد
هنگامی که این تاریخچه ذرات به مجموعه ابزار پس پردازشی Rocky DEM منتقل میشود، مهندسان میتوانند اطلاعات زیادی را از شبیه سازی CFD-DEM استخراج کنند. این اطلاعات، فهم و درک لازم برای تحلیل مسئله را فراهم میکند و در نهایت هزینه‌های توسعه و زمان ورود به بازار را کاهش میدهد. برای شبیه‌سازی‌هایی که تعداد زیادی ذره دارند، Rocky DEM میتواند قدرت پردازش چندین واحد پردازش گرافیکی (GPU) را ترکیب کند. این بدان معنی است که مهندسان همچنین میتوانند قدرت پردازش چندین GPU را با قابلیت پردازش موازی فلوئنت ترکیب کنند تا زمان شبیه‌سازی CFD-DEM به طور قابل توجهی کاهش یابد.
چند نمونه از شبیه‌سازی‌های کاربردی انجام شده با استفاده از جفت سازی CFD-DEM
از مدل CFD-DEM می توان در صنایع صنعتی و تجاری استفاده کرد. به عنوان مثال، CFD-DEM میتواند تجهیزات پوششی را شبیه سازی کند. در این مثال ذرات کروی در هوایی که از پایین به بالا جریان دارد، مایع میشوند. سپس این ذرات کروی با هم برخورد کرده و ذرات حلقه ای شکل را تشکیل میدهند. این شبیه سازی به مهندسان کمک میکند تا حالت‌هایی را پیشبینی کنند که در آن ذرات معلق نخواهند بود و نزدیک ورودی گاز قرار میگیرند. وقتی این اتفاق میافتد، ذرات جریان، گاز را مسدود کرده و بستر فرو میریزد. همچنین با شبیه سازیهای CFD-DEM می توان جاروبرقی‌های چرخشی را طراحی کرد که برای تمیز کردن موهای حیوانات خانگی طراحی شده‌اند. حرکت رشته‌های مو را میتوان با استفاده از مدل CFD-DEM یک طرفه شبیه سازی کرد. این شبیه سازی میتواند برای آزمایش دستگاه‌های ابداعی مورد استفاده قرار گیرد، که باعث کاهش تعداد آزمایشات فیزیکی میشود و در نتیجه زمان و هزینه توسعه را به حداقل میرساند.
دستگاه‌های روکش قرص دارویی را می توان با استفاده از کوپلینگ CFD-DEM دو طرفه، دامنه‌های متعدد و مش‌های (=شبکه) متحرک غیرهمشکل مدل کرد. از اشکال ذره‌ای دلخواه و سفارشی شده میتوان برای پیشبینی دقیق دمای قرص در هنگام جاری شدن هوای گرم درون تجهیزات استفاده کرد. این شبیه‌سازی مهندسان را قادر میسازد تا زمان ماندگاری و توزیع دمای ذرات را برای شرایط عملیاتی مختلف پیشبینی کنند.
فرسایش لوله را میتوان با استفاده از کوپلینگ CFD-DEM نیز مدلسازی کرد. در این کاربرد رسوبات روغن و گاز موجود در جریان در یک لوله خمیده و دارای انحنا افزایش پیدا میکند. نیروی درگ برای هر ذره براساس شکل آن، همراستا با جریان و فعل و انفعالات اتفاق افتاده بر روی سطح لوله محاسبه میشود. از این شبیه سازی میتوان برای تعیین مناطقی در لوله که مستعد سایش هستند استفاده کرد.
این شبیه‌سازی‌های جفت شده CFD-DEM درک لازم برای مهندسین را برای بهینه‌سازی ، پیشبینی و طراحی تجهیزات و فرایندهای مرتبط فراهم میکند.
برای دانلود نرم افزار Rocky DEM از لینک زیر استفاده کنید:
توجه: نسخه‌ی انتخابی برای نرم افزار المان گسسته‌ی راکی حتما باید با نسخه‌ی انسیس سازگار باشد. به عنوان اگر انسیس ۲۰۲۳ R2 را نصب کرده‌اید، نسخه‌ی Rocky DEM باید ۲۳٫۲ باشد.
آموزش نصب نرم افزار Rocky DEM به طور اختصاصی توسط گروه آموزشی Fluentcfd تهیه و در بخش زیر قابل مشاهده است:
برای انجام شبیه سازی به روش المان گسسته و با کمک نرم افزارهای انسیس فلوئنت ANSYS Fluent و راکی دی‌ای‌اِم Rocky DEM که با عنوان CFD-DEM شناخته میشود، از طریق این لینک با ما در ارتباط باشید.
کاش میگفتین چطور این کوپلینگ رو انجام بدیم