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非球形顆粒模擬仿真技術(shù):DEMms軟件建模方法與優(yōu)勢

哦真的嗎 ? 來源:jf_31916015 ? 作者:jf_31916015 ? 2025-08-04 16:23 ? 次閱讀
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在顆粒體系工業(yè)模擬中,非球形顆粒的形態(tài)多樣性,如棱角、纖維狀、不規(guī)則碎塊,使其運動與相互作用規(guī)律遠(yuǎn)比球形顆粒復(fù)雜。離散模擬軟件DEMms 針對非球形顆粒的模擬需求,開發(fā)了多維度建模方法,并通過高效計算技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)級場景的精準(zhǔn)模擬,為多行業(yè)提供了可靠的數(shù)值工具。

非球形顆粒的核心建模技術(shù)

DEMms 基于離散元方法(DEM),針對不同形態(tài)與力學(xué)特性的非球形顆粒,構(gòu)建了三類核心建模方法,全面覆蓋工業(yè)中常見的復(fù)雜顆粒類型:

1. 多面體非球形顆粒建模

多面體方法通過精確的幾何描述與碰撞檢測,還原凸多面體顆粒的真實形態(tài)與力學(xué)行為。其技術(shù)特點包括:

· 幾何表達(dá):支持兩種定義方式,一是通過半空間(Halfspace)以一組平面交集界定凸多面體邊界;二是直接提取 STL 網(wǎng)格數(shù)據(jù),構(gòu)建面、邊、頂點信息,可涵蓋球、殼、纖維、破碎碎塊等復(fù)雜形態(tài)。

· 碰撞檢測:采用 GJK(Gilbert-Johnson-Keerthi)算法,基于閔可夫斯基差原理判斷顆粒接觸狀態(tài) —— 若兩個多面體的閔可夫斯基差包含原點,則判定為相交。該算法能高效識別面 - 面、邊 - 面、頂點 - 面等接觸類型,精準(zhǔn)計算重疊區(qū)域與接觸法線,確保碰撞力計算誤差小于 5%。

· 應(yīng)用場景:適用于模擬礦石、催化劑等剛性多面體顆粒的堆積、輸送過程,如基本幾何顆粒的漏斗落料模擬,可精準(zhǔn)捕捉顆粒間的卡塞與滑動現(xiàn)象。

2. 超二次曲面顆粒建模

超二次曲面(Superquadric)提供了一類靈活、連續(xù)可變形的非球形幾何模型,可用于準(zhǔn)確描述實際顆粒形狀。其技術(shù)特點包括:

幾何表達(dá):超二次曲面由以下隱式方程定義:

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其中 A, B, C 表示尺度參數(shù),r, s, t為真實數(shù)指數(shù),控制顆粒稜角與曲率。

當(dāng) r=s=t=2時為標(biāo)準(zhǔn)橢球;指數(shù) >2 時趨向立方體形狀;指數(shù)<2時為八面體或尖角狀形態(tài)

通過調(diào)節(jié) 5 個參數(shù)(比例軸 + 指數(shù))即可描述球形、圓柱、立方體、尖棱多面體等近似形狀,理論上能夠覆蓋約 80% 的自然顆粒形態(tài)。

碰撞檢測與接觸力計算:基于超二次曲面的隱式描述,可利用牛頓迭代(Newton 最小距離搜索)求解接觸點,而無需離散三角網(wǎng)格,因而計算精度高、穩(wěn)定性好。

應(yīng)用場景:超二次曲面被廣泛用于描述煤粒、木屑、塑料顆粒等具有非球形特征的工業(yè)顆粒,在料倉卸料、流化床、滾筒混合器等流程中對顆粒間的相互作用和形狀效應(yīng)敏感度高。

3. 剛性非球形顆粒建模

剛性非球形顆粒通過多個球體組合構(gòu)成,其外表面由球體并集形成,適用于形態(tài)不規(guī)則但剛性較強(qiáng)的顆粒:

· 建模原理:將目標(biāo)形狀分解為多個重疊或相切的球體,通過球體間的剛性約束維持整體形態(tài),顆粒間的接觸力通過各球體的受力疊加計算。例如,一個膠囊形顆??捎蓛蓚€相切的球體組合而成。

· 優(yōu)勢:兼顧計算效率與形態(tài)真實性,相比多面體方法,在保證一定精度的前提下,可減少 30% 的計算量,支持大規(guī)模顆粒體系模擬(如百萬級顆粒的攪拌過程)。

· 應(yīng)用場景:常用于模擬藥品膠囊、生物質(zhì)顆粒等具有近似對稱形態(tài)的剛性顆粒,在混合設(shè)備優(yōu)化中可精準(zhǔn)預(yù)測顆粒的分散均勻度。

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球形顆粒組合的剛性非球形顆粒

4. 柔性可變形顆粒建模

柔性可變形顆粒同樣由多個球體組合構(gòu)成,但球體間通過 “彈簧 - 阻尼” 約束模擬柔性變形,適用于具有彈性或塑性的顆粒:

· 建模原理:球形顆粒間通過類似分子鍵的約束維持相對距離,約束力滿足胡克定律:F=-kx,其中F為彈力,k為剛度系數(shù)(由材料性質(zhì)決定),x為形變量,負(fù)號表示彈力方向與形變方向相反。通過調(diào)整剛度系數(shù),可模擬從弱變形(如谷物)到強(qiáng)變形(如濕料團(tuán))的顆粒行為。

· 變形特性:允許球體間存在一定相對位移,可模擬顆粒在擠壓、碰撞過程中的形態(tài)變化,如面團(tuán)攪拌中的拉伸、團(tuán)聚現(xiàn)象。

· 應(yīng)用場景:廣泛用于食品加工(如面團(tuán)、巧克力漿料)、醫(yī)藥濕法制粒等涉及柔性顆粒的工藝模擬。

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球形顆粒組合的柔性非球形顆粒

非球形顆粒模擬的技術(shù)優(yōu)勢

DEMms 在非球形顆粒模擬中,通過高效計算與多場耦合技術(shù),突破了傳統(tǒng)方法的效率與精度瓶頸:

1. 大規(guī)模并行計算能力

· 異構(gòu)計算:高效利用 CPUGPU 等計算資源,實現(xiàn)萬核以上大規(guī)模異構(gòu)并行計算,并行效率超過 45%。單 GPU 加速可支持每秒 1 億次顆粒狀態(tài)更新,滿足工業(yè)級模擬的實時性需求。

· 寬粒徑分布優(yōu)化:針對非球形顆粒常伴隨的寬粒徑分布(如 100:1 的粒徑比),采用多重網(wǎng)格搜索算法,大顆粒存儲于粗網(wǎng)格、小顆粒存儲于細(xì)網(wǎng)格,避免冗余計算,內(nèi)存使用量降低一個量級,計算速度提升30%。

2. 多物理場耦合能力

· 多相系統(tǒng)耦合:作為固相求解器,可與流體仿真軟件(如 VirtualFlow、OpenFOAM)耦合,模擬氣固、液固、氣液固多相系統(tǒng)中非球形顆粒的行為,如流化床中顆粒與氣流的相互作用。

· 傳熱與反應(yīng)耦合:支持顆粒間、顆粒-壁面、顆粒-流體的傳熱模擬,以及催化反應(yīng)、積碳等化學(xué)過程耦合。例如,在 DMTO 反應(yīng)器模擬中,可追蹤非球形催化劑顆粒的積碳分布,計算8小時反應(yīng)過程的計算速度達(dá) 1200 秒/天。

DEMms 的非球形顆粒模擬技術(shù),通過多面體、超二次曲面、剛性多球組合、柔性鏈狀顆粒四類建模方法,全面覆蓋了工業(yè)中常見的復(fù)雜顆粒形態(tài),并依托大規(guī)模并行計算與多物理場耦合能力,實現(xiàn)了從微觀顆粒行為到宏觀設(shè)備性能的精準(zhǔn)模擬。該技術(shù)已在化工、礦業(yè)、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域成功應(yīng)用,為解決非球形顆粒體系的工藝優(yōu)化、設(shè)備設(shè)計等難題提供了強(qiáng)有力的數(shù)值工具,推動顆粒工業(yè)向精細(xì)化、智能化發(fā)展。

審核編輯 黃宇

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