منتشرشده در

تعامل انسیس فلوئنت با Rocky DEM

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 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.

 

کوپل فلوئنت و Rocky
شبیه سازی نشست ذرات در هنگام انتقال ذرات داخل لوله

 

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.

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.

کوپل فلوئنت با rocky
یک شبیه سازی CFD-DEM نشان می دهد که چگونه قرص های دارویی، با اشکال دلخواه، روکش می­شوند.

 

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.

کوپل CFD-DEM
شبیه سازی CFD-DEM از جارو برقی چرخشی Bissell

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.

 

فرسایش در لوله
شبیه سازی فرسایش لوله با کوپلینگ بین فلوئنت و Rocky DEM

 

این شبیه­‌سازی‌­های جفت شده CFD-DEM درک لازم برای مهندسین را برای بهینه­‌سازی ، پیش­بینی و طراحی تجهیزات و فرایندهای مرتبط فراهم می­کند.