HOW TO系列 | Rocky 2025R2新功能 - 喷涂仿真
喷涂是一种常见的工艺过程，将液体涂料雾化以产生具有所需作条件（质量流速、喷涂模式和温度）将其以雾状粒子形式喷射到特定对象表面。在制药行业，该工艺用于在固体口服剂型（如片剂或丸剂）的表面形成一层糖衣，从而改善味道或掩盖气味，控制药物活性成分释放速度，提高美观度并防止包装或运输中的破损。在食品工业中，也需要通过喷涂工艺制作抗菌涂层、防粘涂层等。
本例我们为您介绍如何使用Ansys Rocky 2025R2新加入的DEM Liquid Spray模块进行喷涂仿真，您将了解到如何对片剂制造工艺中的喷涂包衣过程进行仿真。通过仿真，您可以预测：
涂层均匀性：确保整个产品表面达到相似的涂层厚度
涂层质量：避免涂层缺陷（橘皮、抠/粘、开裂等）
过度喷洒和浪费
工艺参数控制（雾化、喷嘴堵塞等）
温度和湿度等环境条件
同传统采用CFD仿真方式相比，使用Rocky进行喷涂仿真是一种更快捷、更低计算成本的方式，您将会看到DEM Liquid Spray模块通过一种简化的锥状模式模拟真实喷涂雾化样式，采用颗粒方式模拟雾化液滴，从而便捷仿真液滴粒子同喷涂对象的作用。使用Rocky工程师和设计师可以直接使用颗粒数据来评估涂层均匀性，并在此基础上结合优化工具（如optiSLang、modeFRONTIER等）开展对操作条件影响因素的分析和优化。（本例模型下载方式参见文末。）
仿真前的准备
仿真前的准备
软件版本
本例使用Ansys Rocky 2025R2版本，同时需配置好DEM Liquid Spray模块，该模块可以从Ansys用户门户网站下载或联系support@atic-cn.cn。
仿真目标
本例拟通过仿真预测喷涂包衣均匀性、涂料浪费。
仿真输入
本例所需的输入包括：喷涂包衣设备的外形和操作条件状和作条件；喷雾模式、液滴大小和操作条件；片剂颗粒形状、大小、材料属性、材料间交互作用参数。其中设备外形及设定与Rocky进阶教程第9课Tablet Coater一致，建议用户已经掌握Rocky基础教程内容并已经学习过进阶教程第9课（下文简称教程9）。
Ansys Rocky进阶教程9 – 片剂包衣
另外，本例将使用喷射面外形用于定义喷涂粒子的注入。相关外形可以通过Ansys Discovery Modeling或者SpaceClaim制作，创建55x30 mm的椭圆形几何面，进行离散处理，并导出为STL格式文件（后续供Rocky使用）。
仿真设定说明
启用计算模块
启动Rocky 2025R2，打开教程9中提供的案例，启用DEM Liquid Spray模块，模块配置选项如下图所示：
配置喷射面
在DEM Liquid Spray模块中，喷涂样式会继承喷射面的形状，即圆形表面将产生圆形喷雾，椭圆形表面将产生椭圆形喷雾。在模块中需要设置参考点（喷嘴）、Inlet（雾化粒子入口）和ROI（关注区域）。本例采用与教程 9 中相同的喷嘴坐标和喷雾方向。喷射表面尺寸必须根据将要注入的喷雾液滴尺寸来定义。表面必须足够大，以允许Rocky达到所需的喷雾流速。导入时使用0.2的比例因子，即喷射表面的尺寸为11x6mm。设置0.25mm大小的液滴、5g/min的流量以及1m/s的初速度。
喷雾锥角可以参考制造商提供的参数，已知喷雾锥角时，则可以轻松获得参考点坐标。本例可以参考教程9结果，估算喷射面与参考点的距离。目标距离应满足喷雾模式在撞击颗粒床时产生 55 x 30 毫米的椭圆形。如下图，在教程9中从喷嘴到颗粒床的距离约为132mm。根据简单的几何关系，可以计算从喷嘴到喷涂表面的距离d（~26mm），基于该距离将产生所需的喷涂角度。
在Rocky模型树Geometries节点，通过Import Surface方式导入喷射面外形（两次），并配置如下（请注意确认Normal方向，必要时通过Inver Normal进行反转）：
配置ROI
使用与之前类似的几何运算，计算 ROI 的位置，使其不会与入射曲面重叠。本例针对每个喷嘴定义一个ROI（共两个）。每个ROI的外形都是圆柱体，半径为40 mm，高度为200 mm。
ROI大小没有固定的要求，唯一的要注意的是，只要雾滴粒子在ROI范围内，它们的速度就会被“强制”遵守规定的喷雾样式。配置好的ROI参数如下：
配置模块
在入射表面和ROI准备好后，该模块配置如下：
创建材料及颗粒组
新建一个名为Spray Material的固体材料；由于喷雾粒子之间的接触检测(contact detection)会被自动禁用，并且由于喷雾粒子在撞击片剂或壁面时会从计算域中消除，因此可以使用非常低的杨氏模量来阻止Ansys Rocky软件根据雾滴粒子属性计算时间步长。
新建一个名为Spray的颗粒组用于表征雾滴粒子，配置如下：
对于此颗粒组，在其Modules选项卡中激活如下配置：
DEM Liquid Spray:
oEnable Spray Nozzle Effect：✓
oSet as Spray Particle：✓
Intra-particle Collision Statistics:
oEnable for this particle group: ✓
创建入口
在Rocky模型树Inlet and Outlets节点，新建两个颗粒入口（每个喷涂入射面对应一个）。对于实际的喷射条件，也可以从喷嘴制造商处获得相关信息。本例中配置如下：（可以在Info选项卡中查看到每个入射面预估约58万雾滴粒子）
求解器设定
由于雾滴粒子比片剂颗粒小得多，Rocky的求解器会默认将相邻搜索距离(Neighboring Distance)设置为雾滴粒子大小的1/3。如果保留该设定，将产生严重的计算负荷。由于喷雾液滴的接触检测已被忽略，因此可以调整搜索距离，将其设置为片剂颗粒筛分尺寸1/3。这可以在Solver Advanced选项卡下完成，配置如下：
确认设定无误的情况下，可以开始计算（建议通过GPU执行本例计算），计算完毕后可以进行后处理。
仿真结果后处理
涂层均匀性
包衣均匀性可以通过评估片剂Liquid Mass 标量的CoV（片间差异系数，定义和使用参见教程9）来获得。如下图所示，在60[s]时，一些片剂颗粒接触了5.32mg的涂料，而有一些片剂仅0.01mg。
后处理 - 涂层质量
通过仿真结果可以制作Cov衰减曲线（如下图），根据曲线预测大约需要 0.68 小时可以获得足够均匀的批次。
涂料浪费
从后处理结果直观可见所有雾滴粒子都击中了片剂颗粒，即零涂料浪费。这一点也可以通过评估转笼几何边界上三角形面获得的液体质量来证实。
相关模型下载链接：
