有了CFD，还需要DEM？--从连续到离散的多尺度模拟

（一）CFD 基本原理

CFD 是一种用于模拟流体流动以及流体与固体相互作用的数值方法。它通过离散化技术，如有限差分法、有限体积法或有限元法，来求解流体动力学的控制方程，最常见的便是纳维 - 斯托克斯方程。在 CFD 模拟中，将流体区域划分为众多小的控制体积或单元，针对每个单元迭代求解控制流体流动的方程，同时考虑速度、压力、温度和湍流等特性。凭借这种方式，CFD 能够模拟多种流动现象，包括层流与湍流、多相流、传热以及化学反应等。

（二）DEM 基本原理

DEM 是专门用于模拟颗粒材料行为的数值模拟技术，像土壤、粉末和颗粒等都在其模拟范畴内。在 DEM 中，将每个颗粒视为离散的个体，并跟踪它们的运动和相互作用。基于接触力和外部输入，随时间不断更新每个颗粒的位置、速度和旋转状态。DEM 运用一系列力定律，例如接触模型以及颗粒 - 颗粒相互作用模型，来模拟颗粒材料在不同条件下的行为。考虑到颗粒大小、形状、材料属性和颗粒间作用力等因素，DEM 能够对颗粒流动、压实、分离和稳定性等现象展开分析。

（一）对颗粒体系的模拟难题

尽管 CFD 在流体模拟方面表现卓越，但在处理颗粒体系时存在一定局限。在一些涉及颗粒 - 流体两相流的场景中，如气力输送系统里，颗粒被气体夹带和运输，颗粒与流体介质之间存在质量、动量和能量传递，而且颗粒之间、颗粒与固体壁面还会发生碰撞。CFD 通常将颗粒相视为连续介质进行简化处理，这种处理方式对于稀疏颗粒流或许可行，但当颗粒浓度较高时，就难以准确捕捉颗粒间复杂的相互作用细节。例如在矿石研磨过程中，大量矿石颗粒在磨机内相互碰撞、摩擦，CFD 的连续介质假设无法精确描述单个颗粒的运动轨迹以及颗粒间频繁的碰撞行为，导致模拟结果与实际情况偏差较大。

（二）对复杂颗粒形状和特性的处理困境

实际工程中的颗粒往往具有复杂的形状和多样化的特性，而 CFD 在处理这些复杂情况时面临挑战。CFD 的网格生成过程较为复杂，对于形状不规则的颗粒，生成高质量的贴合网格难度较大。即使能够生成网格，在模拟过程中，由于网格与颗粒形状的不匹配，也会引入数值误差。此外，对于具有特殊性质的颗粒，如磁性颗粒或具有粘性的颗粒，CFD 难以准确考虑这些特性对颗粒运动和相互作用的影响。例如在磁性材料的加工过程中，颗粒之间的磁性吸引力对其团聚和流动行为有重要影响，CFD 却很难将这种磁性作用精确纳入模拟中。

（一）精确描述颗粒个体行为

DEM 最大的优势之一在于能够精确描述每个颗粒的个体行为。它可以详细跟踪每个颗粒的位置、速度和旋转状态随时间的变化。在模拟颗粒流动过程时，DEM 能够清晰展现颗粒的运动轨迹，以及颗粒之间的碰撞、摩擦和堆积等现象。以粮仓中谷物颗粒的存储为例，DEM 可以模拟谷物在仓内的填充过程，预测谷物堆积的形状和密度分布，帮助优化粮仓的设计，确保存储的稳定性和高效性。这种对颗粒个体行为的精确模拟，是 CFD 难以企及的。

（二）处理复杂颗粒特性和相互作用

DEM 能够轻松应对复杂形状和具有特殊性质的颗粒。通过定义合适的颗粒形状模型和相互作用参数，DEM 可以准确模拟不同形状颗粒的运动和相互作用。对于具有粘性的颗粒，DEM 可以设置相应的粘性力模型，模拟颗粒之间因粘性而产生的团聚现象。如在建筑行业的混凝土搅拌过程模拟中，DEM 能够考虑到水泥颗粒、骨料等不同形状和性质的颗粒之间的相互作用，优化搅拌工艺，提高混凝土的质量。此外，DEM 还能模拟颗粒与固体壁面之间复杂的相互作用，为设备的磨损分析提供依据。

（一）化工行业：流化床反应器的模拟

在化工生产的流化床反应器内，气固两相的流动与反应过程极为复杂。CFD 可以模拟流体在反应器内的整体流动模式，分析反应器内的温度和浓度分布，对于优化反应器的宏观性能有一定帮助。然而，对于反应器内催化剂颗粒的运动和分布情况，CFD 的模拟结果不够精确。催化剂颗粒在气流作用下的流化状态，直接影响着反应效率和催化剂的使用寿命。

DEM 可以详细模拟催化剂颗粒在气流中的运动轨迹、颗粒间的碰撞与摩擦，以及颗粒与反应器壁面的相互作用，预测颗粒的磨损情况以及颗粒与流体之间的传热传质效率。通过 DEM 模拟，能够为流化床反应器的结构设计和操作参数优化提供更准确的依据，提高反应器的运行稳定性和生产效率。

（二）冶金行业：高炉炼铁过程分析

在冶金行业的高炉炼铁过程中，涉及到炉料（铁矿石、焦炭等颗粒）与高温气流的相互作用。CFD 可以对高炉内的气流分布、温度场进行模拟，帮助工程师了解高炉内的宏观热工状态。但高炉内炉料颗粒的运动、堆积和还原反应过程十分复杂，CFD 难以精确描述。

DEM 能够将炉料颗粒视为离散个体，考虑颗粒的大小、形状、密度以及颗粒间的摩擦力、碰撞力，还有高温下颗粒的物理化学变化。通过 DEM 模拟，可以清晰展现炉料颗粒在高炉内的下降过程、分布情况，以及颗粒与气流的相互作用对还原反应的影响，为优化高炉布料制度、提高铁水质量和产量提供关键数据支持。

 

基于离散模拟软件DEMms的高炉炉顶布料模拟

（三）制药行业：药物颗粒混合与制剂工艺

在制药行业中，药物颗粒的混合均匀度直接影响药品质量。CFD 在模拟药物颗粒混合过程中，通常将颗粒相简化处理，难以准确反映颗粒间复杂的相互作用。

而 DEM 可以针对不同形状、大小和性质的药物颗粒，设定精确的相互作用参数。在模拟药物颗粒在混合器中的混合过程时，DEM 能够详细跟踪每个颗粒的运动轨迹，分析颗粒的团聚与分散行为，预测混合时间和混合效果。此外，在制剂工艺中，如压片过程中颗粒的压实和成型，DEM 也能模拟颗粒在压力作用下的变形、位移和相互作用，帮助优化制剂工艺参数，确保药品的质量和稳定性。

 

基于离散模拟软件DEMms的药物胶囊颗粒模拟

虽然 CFD 和 DEM 各有特点和优势，但在一些复杂的多相流问题中，单独使用 CFD 或 DEM 都无法全面准确地描述整个系统的行为。因此，近年来 CFD-DEM 耦合方法逐渐受到关注。

这种耦合方法结合了 CFD 对流体相的精确模拟能力和 DEM 对颗粒相的精细描述能力。在耦合模拟中，CFD 计算流体相的速度、压力等参数，并将这些信息传递给 DEM，用于计算颗粒受到的流体力；DEM 则计算颗粒的运动和相互作用，并将颗粒对流体的反作用力反馈给 CFD。

例如在气力输送系统的模拟中，CFD-DEM 耦合方法可以同时准确模拟气体的流动和颗粒在气体中的输送过程，包括颗粒的加速、减速、碰撞以及与管道壁面的相互作用等。通过这种耦合模拟，能够更深入地理解气力输送系统的工作机制，为系统的优化设计提供更全面的依据。

综上所述，尽管 CFD 在流体模拟方面功能强大，但由于其对颗粒体系模拟的局限性，在涉及颗粒材料行为的众多实际工程和科学研究中，需要 DEM 来弥补其不足。DEM 在精确描述颗粒个体行为以及处理复杂颗粒特性和相互作用方面具有独特优势，能够为行业提供更精准的模拟结果。而 CFD-DEM 耦合方法则为解决更复杂的多相流问题提供了新的途径。对于行业新人来说，了解 CFD 和 DEM 各自的特点以及它们之间的互补关系，有助于在实际工作中根据具体问题选择合适的模拟方法，推动相关领域的研究和工程应用不断发展。