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.

One thought on “تعامل انسیس فلوئنت با Rocky DEM

  1. کاش میگفتین چطور این کوپلینگ رو انجام بدیم

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *