基于CFD-DEM耦合的三维仿真软件改进研究

【摘要】在工农业生产和自然界中，流固两相流耦合的现象十分广泛。基于CFD-DEM(ComputationalFluidDynamics-Discreteelementmethod)耦合的仿真计算，工业上目前大都采用几种软件共同协调工作的方式来完成，例如，通过在商品软件EDEM上加载FLUENT软件，来计算流体区域中存在固体的情况，从而实现流固耦合问题的仿真分析。但是这种方式存在的问题是，FLUENT以及EDEM软件的价格均十分昂贵，增加了耦合工作的成本，不利于研究人员的广泛使用和相关研究的广泛推广。本课题组多年来一直致力于CFD-DEM耦合仿真软件的设计和改进研究，力图为流固耦合问题的仿真模拟及其相关研究提供一种新方法，提高仿真计算的效率并最大程度地降低研究试验的成本。本文主要工作是对CFD-DEM耦合仿真软件的相关功能进行改进研究。本文在课题组已开发的CFD-DEM耦合仿真软件的基础上，对CFD流体仿真计算软件的求解方式进行了高阶离散格式的改进。基于二阶迎风格式和QUICK格式的离散方式，实现了CFD流体仿真计算软件的改进设计，并将CFD流体仿真计算软件与课题组已开发出的DEM仿真软件进行集成，使得软件能够进行流固耦合问题的仿真模拟，为相关的研究提供便利。使用计算机技术实现相关仿真模拟，代替传统的反复试验和测试，可大大降低开发成本，减少重复性工作，提高效率。在此基础上，还应用组件技术，对CFD-DEM耦合仿真软件添加了用户自定义模型模块。目前已报道的离散元法仿真软件，大多数采用的是固定的分析模型，即边界与颗粒间以及颗粒与颗粒间的接触力学模型是固化在程序代码中的，程序编译后关于力学模型的运算公式已经固定，无法动态更改。如果要更改某个力学模型就需要对软件的力学计算部分进行代码重写和重新编译，降低了使用的灵活性和程序的可维护性。随着离散元理论的不断发展，出现了很多新的力学模型，如果能够实现用户动态加载力学模型，则软件的灵活性和可维护性将会大大的提高。本项目组软件在老师的指导下，经过项目组的多年研究开发，由简单到丰富，自理论到研发，再由二维到三维，已经实现了一个又一个的飞跃，本文在项目组已开发CFD-DEM耦合仿真软件进行了改进，并对本文改进功能部分进行了定性测试，测试结果可以看出二阶迎风格式的仿真效果与FLUENT商品软件基本一致，而QUICK格式的仿真效果不理想，还有待于进一步研究和优化。自定义添加力学模型模块可以正常运行，使用添加后的力学模型也可以进行正常的颗粒仿真计算。CFD-DEM耦合仿真软件进行耦合计算时，颗粒和流场间的相互作用力能够观察到明显的效果，验证了耦合功能的实现。
【作者】孙迎春；
【导师】付宏；
【作者基本信息】吉林大学，计算机技术，2014，硕士
【关键词】离散元法；计算流体动力学；COM；SIMPLER算法；

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