CFDPro颗粒流仿真 | 基于拉格朗日粒子追踪方法，模拟复杂颗粒的流动现象

颗粒流仿真是通过数值模拟手段模拟由大量固体颗粒构成的系统的动态行为，能够详尽刻画颗粒间的碰撞、扩散、堆积、破碎、混合等微观交互，以及与流体介质的相互作用，从而预测颗粒流在各种工况下的宏观表现。颗粒流仿真能够揭示隐藏的风险因素，为产品研发、故障诊断、性能优化提供关键数据支撑。

• 能源与动力工程：应用于发动机吸入物模拟与燃烧室颗粒物行为分析。
• 环境保护与灾害预防：涉及大气污染扩散模拟与地质灾害预警。
• 化工与材料工程：涵盖反应器内颗粒流动与混合优化以及颗粒填充与成型过程控制。
• 农业与食品工程：应用于种子播撒与肥料施用技术优化以及粮食干燥与储存过程管理。

颗粒流模拟仿真模块

ParticlePro为积鼎科技自主研发的颗粒流模拟模块，该模块是基于拉格朗日粒子追踪方法，专为解决复杂颗粒流动现象而设计，可用于发动机吸雨吸雹、发动机叶片颗粒流、微小粒子撞击损伤等应用场景的仿真分析。

• 拉格朗日粒子追踪

支持颗粒间的直接碰撞模型，考虑颗粒间的弹性碰撞、摩擦力等相互作用，以模拟颗粒群的集体行为。

• 耦合流场模型

集成了Langevin湍流扩散模型，用于描述颗粒在湍流背景下的随机扩散行为，考虑了颗粒与流体微团之间的相对速度差异及湍流脉动对颗粒扩散的影响；稀相模型和密相模型的灵活切换，适应不同颗粒浓度条件下的模拟需求。

• 先进颗粒特性处理

颗粒旋转模型，考虑颗粒在流场中因受力不平衡导致的自转；马格纳斯升力模型，模拟颗粒在流场中由于形状、旋转和流体黏性引起的额外升力效应。

• 惰性传热处理

能够模拟颗粒作为惰性物质在流场中传递热量的过程，有助于分析颗粒温度变化对流动行为、颗粒沉积、热交换设备性能等方面的影响。

应用案例

案例一：发动机叶片颗粒防护优化

某航空发动机制造商利用该ParticlePro模块对发动机叶片在飞行过程中遭遇吸雨吸雹的情况进行仿真。通过模拟碰撞过程，工程师们得以精确评估不同设计对叶片抗冲击能力的影响，优化叶片材质、形状及表面处理工艺。

应用模块的拉格朗日粒子追踪方法，可模拟雨滴、冰雹与叶片的碰撞过程，详细记录碰撞点、碰撞角度、碰撞速度以及碰撞后的颗粒破碎情况。重点关注不同碰撞条件下叶片所承受的冲击力、变形情况以及潜在的疲劳损伤。

通过模拟应用，成功优化了发动机叶片设计，使得叶片抗雨滴、冰雹冲击能力相较于原设计有显著提高，降低了飞行过程中因颗粒冲击导致的叶片损坏风险。

涡轮叶片颗粒流仿真

案例二：重力塔液滴冷却优化

某化工厂采用重力塔进行工艺液体的冷却处理，通过ParticlePro模块所采用的欧拉-拉格朗日颗粒追踪模型以及可压缩模型对重力塔中液滴过程进行了数值模拟分析，数值模拟过程中考虑了液滴换热效果。

应用该模拟模块的拉格朗日粒子追踪功能，模拟单个液滴在塔内的运动轨迹，包括液滴在重力、浮力、阻力、湍流作用下的上升、碰撞、蒸发等过程。重点关注液滴在填料层间的分布、蒸发速率以及与气流的热交换效果。

借助该模拟模块，该化工厂成功优化了重力塔液滴冷却过程，不仅提升了冷却效率，还解决了塔底积液问题，确保了设备稳定运行。

重力塔中的液滴过程

国产自主流体仿真软件CFDPro

CFDPro为基于有限体积法求解单相流/多相流NS方程的计算流体动力学仿真软件，采用Level Set界面追踪方法、具备领先的湍流模型、丰富的相变模型，配置燃烧模型和反应机理接口，更加适用于复杂的工程计算模拟分析。