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DEMMS 新功能:DEMMS-Fluent 耦合接口

21分钟前浏览14
在多相流研究中,气固流化、颗粒输运及反应过程的数值模拟是核心难题。传统CFD-DEM(计算流体力学–离散元法)耦合方法虽然能够实现对颗粒群体运动与流场相互作用的高保真模拟,但在工程规模上往往面临巨大的计算压力。为此,基于大规模高性能颗粒模拟软件DEMMS,开发了 DEMMS 与 Fluent 的双向耦合接口,实现商用CFD求解器与高性能离散元框架的灵活通信及数据交换,使气固两相系统的预测更加精准高效。















Part.01

为什么要进行CFD–DEM耦合?

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

耦合原理概述

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:

1

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)。

2

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

物理模型与控制方程

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

耦合通讯机制

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

模型验证与典型应用

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. 

来源:多相流在线
Fluent碰撞多相流UDF湍流通信离散元
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首次发布时间:2025-11-22
最近编辑:21分钟前
积鼎CFD流体仿真模拟
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