Part.01
在气固两相流中,气相流场与颗粒群体之间存在强烈的相互作用:
气体流动会驱动颗粒运动(曳力、压力梯度等作用);
颗粒群体反过来又影响气流分布(动量交换、局部阻力增强等)。
单独的CFD或DEM都无法完整描述这种双向耦合效应:
CFD适合描述连续相(气体)的流动,但无法追踪每个颗粒;
DEM能精确计算颗粒间碰撞、聚团和破碎,却缺乏对流场反馈的能力。
通过CFD–DEM耦合,可以实现流体域中求解流场,同时在颗粒域中计算颗粒的受力与运动状态,实现气–固两相的协同演化模拟。
DEMMS-Fluent 双向耦合流化床验证算例
Part.02
DEMMS-Fluent 耦合接口采用双向耦合(two-way coupling)策略,在每一个耦合时间步内执行以下循环:
Fluent → DEMMS:流场信息传递
Fluent 双欧拉气固求解器计算得到流体相(气体)速度场、压力场与体积分数;
在每个计算单元中,Fluent将气体速度、压力梯度、湍流黏度等信息传递至DEMMS;
DEMMS据此计算颗粒的流体作用力(曳力、升力、压力梯度力等)。
DEMMS → Fluent:颗粒反馈传递
DEMMS计算得到每个计算单元内的颗粒体积分数、颗粒平均速度、动量源项;
将这些结果传递回Fluent,用于修正连续相(气体)的控制方程;
Fluent在下一个迭代步更新气体流场,实现气固相间的反馈闭环。
这种循环在每个耦合步重复进行,直到两相的速度场、固含率分布与动量交换达到稳定或收敛。
Part.03
CFD-DEM耦合的核心在于动量与质量的相互作用。
Fluent的双欧拉模型采用连续介质形式描述气固相动量方程:
![]()
ag,as:气相与固相体积分数
Fgs和Fsg:气固相间的曳力耦合项,满足动量守恒:
在DEMMS-Fluent 耦合中:
DEMMS提供as,us
Fluent根据局部流体条件计算β
通过动量源项将Fgs反馈到气体方程,实现动态耦合
Part.04
Fluent与DEMMS通过 Socket TCP/IP 通讯机制实现实时数据交换:
在每个耦合时间步,Fluent作为客户端发送气体流场数据;
DEMMS作为服务器端接收数据,计算颗粒动力学并返回反馈量;
通讯采用结构化二进制格式(real4 数组),保证数据紧凑与高效;
每次通讯完成后双方同步步长,确保数据对应。
Fluent加载耦合用UDF库
DEMMS求解器
与Fluent初始化建立通信
求解器双向耦合通信同步计算
该机制的优点是:
不依赖共享内存,可跨平台运行(Windows / Linux)
可在局域网或多节点系统上并行部署
Part.05
DEMMS-Fluent 耦合已在颗粒流化床(Bubbling Fluidized Bed)典型问题中得到验证,实现了颗粒在气流驱动下运动过程的真实再现,颗粒速度位置分布与文献[1]高度一致。
Fluent中流体域初始化设置
附:参考文献
[1]Taghipour F, Ellis N, Wong C. Experimental and computational study of gas–solid fluidized bed hydrodynamics[J]. Chemical engineering science, 2005, 60(24): 6857-6867.