DEMMS-Fluent耦合新功能：基于VOF-DEM方法的气液固三相模拟

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气-液-固三相流广泛存在于工业（如三相流化床、搅拌反应器）中，其模拟需要同时考虑气液两种流体相与固体颗粒相的耦合作用。在多相流模拟领域，气-液-固三相体系的精确描述一直是挑战。传统方法往往难以同时捕捉自由液面演化与颗粒-流体精细交互。

大规模高性能颗粒模拟软件DEMMS与 Fluent 的最新耦合功能，引入了先进的 VOF-DEM（Volume of Fluid - Discrete Element Method）方法，实现对三相流的高保真模拟。该方法将 Fluent 的 VOF 自由表面追踪能力与 DEMMS 的离散元颗粒动力学相结合，通过双向耦合机制精确处理颗粒与气-液两相流体的相互作用。

VOF-DEM 双向耦合机制

采用VOF（Volume of Fluid）方法模拟可分离的气液两相界面，固相颗粒用DEM离散元跟踪，实现气-液-固三相的耦合。VOF方法通过在网格上求解单一的动量方程并捕捉清晰的气液界面来模拟两相流。流体的密度和黏度等性质根据局部气相体积分数对两相进行加权平均，使混合流体属性随界面变化。DEM颗粒则以拉格朗日方式独立计算运动，与流体通过曳力、浮力等力相互作用。

VOF-DEM方案能够显式捕捉气液界面形态，适用于存在明显自由液面或较大气泡的流动。例如，对于搅拌槽中液面和鼓泡大气泡，VOF能真实再现界面变形、气泡合并和破裂过程，颗粒受界面影响（如表面张力、润湿）的行为也可模拟。由于VOF使用单一速度场描述两相，气液间无人工相对滑移误差，界面处流场连续性良好。

模拟体系:颗粒自沉过程验证体积守恒

算例合作单位：中国科学院过程工程研究所

为验证模型准确性，模拟了典型颗粒自沉工况：104130个直径2.75 mm、密度 2500 kg/m³ 的颗粒从水面上方释放，沉入静止水体。

在Fluent中直接启用VOF模型即可处理气液两相流动，并可继承既有架构与DEM耦合。实现上，气液相动量方程中各项会按VOF体积分数组合计算（Fluent自动考虑混合密度、黏度），因此可沿用气固耦合中通过源项添加颗粒曳力的方式，将颗粒与混合流体的动量交换加入动量方程。

计算域为 0.28 m × 0.025 m × 1.20 m 立方体，重力沿 z 负方向。初始自由液面位于 z = 0.5 m，网格尺寸 0.0125 m。
边界条件：顶部压力出口，其余无滑移壁面。
流体物性：

空气（ρg = 1.29 kg/m³, μ_g =10^-5 Pa·s）

水（ρ_l = 1000 kg/m³, μ_l =10^-3Pa·s）

时间步：DEM 5×10^-5s，VOF 1×10^-3s。模拟时长 2.0 s，颗粒完全沉底，水面恢复平静。

Parameter	fluidized bed
Bed length (m)	0.28
Bed height (m)	1.25
Bed depth (m)	0.025
CFD grid	22×100×2
Particle diameter, d_p (m)	2.75×10^-3
Particle density, ρ_p (kg/m³)	2500
Particle number	104130
Gasdensity, ρ_p (kg/m³)	1.29
Gasviscosity, μ_g(Pa·s)	10^-5
Waterdensity, ρ_p (kg/m³)	1000
Waterviscosity, μ_g(Pa·s)	10^-3
Time step for CFD, dt_CFD (s)	1×10^-3
Time step for DEM, dt_DEM (s)	5×10^-5
Simulation time (s)	2

速度、固相分数、液相分数 Fluent 计算结果如下：

速度

固相分数

液相分数

模拟结果显示，颗粒沉降过程挤占水相体积，导致自由液面显著升高，随后在重力和表面张力作用下振荡恢复。大规模高性能颗粒模拟软件DEMMS计算结果精确再现了三相体积守恒向：颗粒体积取代水相，水面上升高度与颗粒总体积相当，证明DEMMS-Fluent 耦合的 VOF-DEM 模块在处理自由表面三相交互时的可靠性。

DEMMS 与 Fluent 的 VOF-DEM 耦合新功能，显著提升了 DEMMS 在涉及气-液-固耦合场景（如流化床、沉降分离、颗粒输送）的工程应用能力，为相关工业过程的设计与优化，提供了高精度的数值模拟支撑。