DPM模型｜06 Fluent DEM碰撞机制探讨

Fluent Domain Particle Method (DPM) 在颗粒流体动力学模拟中的应用及关键技术

在本文中，我们将详细探讨 Fluent Domain Particle Method (DPM) 模型在颗粒物质动力学模拟中的基础理论和使用方法。DPM 简化了颗粒动力学问题，将其模拟为质点的移动轨迹，通过忽略周围流体领域细节，有效避免了常见的复杂流体固体相互作用问题，如涡脱落、流动分离、边界层现象等。本文侧重于从理论出发，链式阐述了电离子融合模型在颗粒间的力作用机理及实际应用中的关键参数设定，以期为颗粒物质动力学分析提供理论支撑与实践指南。

1. DPM 模型理论基础

在 DPM 模型中，每个颗粒都简化为一个移动的质点，并按照 DPM 所定义的规则运动。该模型进一步对颗粒的几何形状与体积进行了简化处理，并在其运行过程中过滤掉了重要的流体力学细节。作为颗粒多相流分析的基石，DPM 通过 Cundall 及 Strack 的开创性研究，借助牛顿第二定律来解析颗粒的运动控制方程。特别地，该模型强调颗粒与颗粒之间相互作用的力学效应，特别是通过模拟颗粒碰撞力的方向性，来精确定义力在构建颗粒动力学系统的力场中所占的地位。

对于有实际经验的模拟主义者来说，Fluent 1中的一些主要矿物力，例如弹簧、弹簧阻尼、赫茨能量模型、赫茨阻尼模型、摩擦力以及滚动摩擦等，能够被灵活应用。在具体配置时刻，选择何种力模型则需具体问题具体分析。以质点之间的碰撞为例，模型需要预设合理参数，如弹簧常数等，确保在特定的几何和动态尺度下，碰撞模型可以精确地反映实际碰撞现象。考虑如下表达式来估算弹簧常数的值：


由此可见，弹簧常数的设定需要充分考虑到颗粒直径与最大相对速度，确保在最大碰撞条件下（即最大可能重叠度与相对速度），能够确保足够的力传递机制在两个颗粒包间形成，从而避免量级上的过度简化与失真。




2. 碰撞物理：Spring Collision Law、SpringDashpot Collision Law、Hertzian Collision Law

2.1 Spring Collision Law

Spring Collision Law 是一种简单且直观的力模型，其基础在于弹性力与位移之间的线性关系。在解释颗粒碰撞的作用时，往往将弹簧模型用以模拟颗粒碰撞的恢复力。这一模型通常适用于颗粒间接触面积不显著时的情况。

2.2 SpringDashpot Collision Law

SpringDashpot Collision Law 融合了阻尼与弹性的概念，旨在更微观地描述碰撞过程中的能量损失。通过引入阻尼效应（通常基于阻尼力与位移速度的关系），这一模型可以更真实地模拟振动过程中的能量衰减现象。这一步引入，使得在模拟高速碰撞时，能量的早衰减成为可能。

2.3 Hertzian Collision Law

赫兹碰撞定律则是一种更为复杂的非线性碰撞力定义，其属性模拟了实际颗粒碰撞中非线性相互作用的特性，可塑性准确描绘了颗粒接触过程中弹性和非弹性行为的间歇性。这一模型在处理如何量化的动态变形效应时，表现出了更高的精确性，尤其适用于材料科学领域的复杂碰撞模拟。

实践中的关键参数设定及调整

在设置 Fluent 中的 DPM 模型时，选择合适的力模型类型、调整颗粒碰撞过程中各力参量的值，需要基于对目标系统的深入理解，以及实际系统的物理属性、力行为特性的综合考量。合理的参数选择有助于模型准确运行，并有效模拟颗粒间的物理和动态相互作用，达到对实际颗粒堆积、输送、反应等过程合理的预测和分析。通过理论与实践的结合，DPM 模型为颗粒物质动力学研究提供了强大的分析工具和可行的解决方案。