離散單元法及其在EDEM上的實踐

前言

　　離散單元法是由美國學者Cundall P.A.教授在1971年基于分子動力學原理提出的一種顆粒離散體物料分析方法。離散單元法的基本思想是把不連續(xù)體分離為剛性元素的集合，使各個剛性元素滿足運動方程，用時步迭代的方法求解各剛性元素的運動方程，繼而求得不連續(xù)體的整體運動形態(tài)。離散單元法被廣泛地應用于離散體在復雜物理場作用下的動力學行為和多相混合介質力學特性的研究中，涉及巖土力學、粉末加工、研磨技術、混合攪拌等工業(yè)過程和糧食等顆粒離散體的倉儲和運輸等生產實踐領域。EDEM是英國DEM-Solutions公司開發(fā)的、在全球處于領先地位的離散單元法應用軟件，該軟件的功能是仿真、分析和觀察粒子流的運動規(guī)律。離散單元法作為一種新興的散料分析方法，已經快速地成長起來，很多產業(yè)如礦物加工、原料處理、石油和煤氣的生產等都可應用EDEM進行設計和分析。　　本書介紹了離散單元法的基本理論和方法，離散單元法軟件EDEM及其使用方法，同時還給出了基于EDEM進行研究的工業(yè)應用實例。全書共分5章，第1章介紹離散單元法的研究現狀與發(fā)展趨勢；第2章介紹離散單元法的基礎理論，包括離散單元法的基本概念、顆粒物質的基本性質、顆粒接觸理論、軟球和硬球模型及離散單元法的求解過程；第3章闡述EDEM的基本應用，包括EDEM基本結構、創(chuàng)建和初始化模型、模擬仿真和計算及對仿真結果進行顯示和分析；第4章通過螺旋輸送機輸送物料的仿真、球磨機物料破碎仿真、顆粒熱傳導仿真、EDEM與FLUENT耦合仿真等實例，介紹EDEM軟件的基本操作；第5章介紹EDEM在破碎粉磨、散料輸送等行業(yè)中的應用?！　”緯鴮㈦x散單元法基礎理論、國際大型通用離散單元法工具軟件與工程應用實例密切結合，通過應用實例使讀者掌握離散單元法的實質內容及EDEM工程應用方法。本書可作為高等院校高年級本科生或研究生學習離散單元法和EDEM的教材或教學參考書，也可作為企業(yè)或研究機構的科技工作者學習EDEM的參考書。　　本書由吉林大學王國強、郝萬軍、王繼新編寫，吉林大學胡際勇、田秋娟、都鵬杰、陳超、李學飛、張玉新等參與了部分編校工作。全書由王國強教授統稿，?；疚弘S利研究員主審。　　本書的編寫得到了?；纠罴こ處?、張向陽工程師、王海龍工程師和王欣同志的大力支持。在本書編寫過程中參考了國內、外學者公開出版的相關專著和文獻，在此一并向這些專著和文獻的作者表示衷心的感謝?！　∮捎诰幷咚接邢蓿瑫腥秉c、錯誤在所難免，敬請讀者批評指正。

內容概要

　　本書介紹了離散單元法的基本理論和方法，離散單元法工程應用軟件EDEM及其使用方法，同時還介紹了基于EDEM的工業(yè)應用實例。主要內容有：離散單元法的研究現狀及發(fā)展趨勢，離散單元法的基本理論，EDEM概述及基本操作和EDEM在工業(yè)中的應用。《離散單元法及其在EDEM上的實踐》將離散單元法基礎理論、國際通用離散單元法工具軟件及工程應用實例密切結合，通過應用實例使讀者掌握離散單元法的實質內容及EDEM工程應用技巧?！　”緯勺鳛楦叩仍盒８吣昙壉究粕蜓芯可鷮W習離散單元法和EDEM的教材或教學參考書，也可作為企業(yè)或研究機構的科技工作者使用EDEM的參考書。

書籍目錄

第1章 緒論　1.1 離散單元法簡介　1.2 離散單元法的發(fā)展概況　　1.2.1 國外發(fā)展狀況　　1.2.2 國內發(fā)展狀況　1.3 離散單元法的發(fā)展趨勢　　1.3.1 離散單元法基礎理論　　1.3.2 并行計算方法　　1.3.3 多尺度和多學科的發(fā)展　　1.3.4 離散單元法軟件的發(fā)展　　1.3.5 同其他算法的融合　1.4 離散單元法工程應用軟件EDEM　　1.4.1 EDEM的功能特點　　1.4.2 EDEM的應用范圍第2章 離散單元法的基礎理論　2.1 散體物料的基本概念　　2.1.1 顆粒物料與顆粒流　　2.1.2 力鏈　　2.1.3 孔隙率與孔隙比　　2.1.4 物料的濕度　　2.1.5 堆積角　　2.1.6 流動性　　2.1.7 磨損性與磨琢性　　2.1.8 黏結性與凍結性　2.2 顆粒接觸理論　　2.2.1 模型假設　　2.2.2 顆粒單元的屬性　　2.2.3 接觸模型　2.3 軟球模型和硬球模型　　2.3.1 軟球模型　　2.3.2 硬球模型　　2.3.3 軟球模型和硬球模型對比　2.4 熱傳遞理論　　2.4.1 熱對流　　2.4.2 熱傳導　　2.4.3 熱輻射　　2.4.4 溫度更新　2.5 離散單元法的求解過程　　2.5.1 顆粒接觸的搜索　　2.5.2 基于硬球模型的離散單元法　　2.5.3 基于軟球模型的離散單元法　　2.5.4 時間步長的確定第3章 EDEM的基本應用　3.1 EDEM基礎　　3.1.1 EDEM用戶界面　　3.1.2 EDEM文件類型　　3.1.3 單位制的選擇　3.2 前處理器　　3.2.1 全局設置子面板　　3.2.2 粒子系統子面板　　3.2.3 幾何體子面板　　3.2.4 粒子工廠子面板　3.3 求解器　3.4 后處理工具模塊　　3.4.1 模型子面板　　3.4.2 顏色設置子面板　　3.4.3 方格設置子面板　　3.4.4 剖切設置子面板　　3.4.5 X：具子面板　　3.4.6 仿真圖像及影像文件保存功能　　3.4.7 數據輸出功能　　3.4.8 圖表生成功能第4章 EDEM操作實例　4.1 螺旋輸送機輸送物料的仿真　　4.1.1 EDEMCreator：創(chuàng)建模型　　4.1.2 EDEMSimulator：設置仿真參數進行仿真　　4.1.3 EDEMAnalyst：分析仿真結果　4.2 顆粒熱傳導仿真　　4.2.1 EDEMCreator：建立模型　　4.2.2 EDEMSimulator：運行仿真　　4.2.3 EDEMAnalyst：結果分析　4.3 自定義接觸模型仿真　　4.3.1 創(chuàng)建新的粘連模型　　4.3.2 采用新的粘連模型　　4.3.3 EDEMAnalyst：分析仿真結果　4.4 自定義顆粒的仿真_　　4.4.1 EDEMCreator：建立模型　　4.4.2 EDEMSimulatot：運行仿真　　4.4.3 EDEMAnalyst：分析仿真結果　4.5 球磨機物料破碎仿真　　4.5.1 EDEMCreator：創(chuàng)建模型　　4.5.2 EDEMSimulator：運行仿真　　4.5.3 EDEMAnalyst：分析仿真結果　4.6 耦合FLUENT的歐拉法仿真　　4.6.1 在FLUENT軟件中建立模型　　4.6.2 設置EDEM面板并啟動Creator　　4.6.3 EDEMCreator：創(chuàng)建模型　　4.6.4 EDEMSimulator求解器　　4.6.5 Fluent：完成設置和仿真　　4.6.6 EDEMAnalyst：后處理　4.7 耦合Fluent用歐拉一拉格朗日法仿真　　4.7.1 Fluent：建立模型　　4.7.2 設置EDEM面板并啟動Creator　　4.7.3 EDEMCreator：建立模型　　4.7.4 EDEMSimulator　　4.7.5 Fluent：完成設置并進行仿真　4.8 EDEM與Easy5耦合仿真　　4.8.1 EDEMCreator：建立模型　　4.8.2 Easy5：建立模型　　4.8.3 EDEMSimulator：運行仿真　　4.8.4 EDEMAnalyst：分析仿真結果第5章 EDEM在工業(yè)中的應用參考文獻

章節(jié)摘錄

　　離散單元法（Discrete Element Method，DEM）是由美國學者CundallP.A.教授在1971年基于分子動力學原理首次提出的一種顆粒離散體物料分析方法，該方法最早應用于巖石力學問題的分析。離散單元法的基本思想是把不連續(xù)體分離為剛性元素的集合，使各個剛性元素滿足運動方程，用時步迭代的方法求解各剛性元素的運動方程，繼而求得不連續(xù)體的整體運動形態(tài)。該方法允許單元間的相對運動，不一定要滿足位移連續(xù)和變形協調條件，計算速度快，所需存儲空間小，尤其適合求解大位移和非線性的問題。　　離散單元法自提出以來，在巖土工程和顆粒離散體工程這兩大傳統的應用領域中發(fā)揮了其他數值算法不可替代的作用。首先，在巖土計算力學方面，由于離散單元更真實地表達節(jié)理巖體的幾何特點，能夠處理非線性變形和破壞都集中在節(jié)理面上的巖體破壞問題，因此廣泛應用于模擬邊坡、滑坡和節(jié)理巖體下地下水滲流等力學過程的分析和計算中；離散單元法還可以在顆粒體模型基礎上通過隨機生成算法建立具有復雜幾何結構的模型，通過單元間多種連接方式來體現土壤等多相介質間的不同物理關系，從而更有效地模擬土壤的開裂、分離等非連續(xù)現象，成為分析和處理巖土工程問題的不可或缺的方法。其次，在粉體工程方面，顆粒離散元被廣泛地應用于粉體在復雜物理場作用下的復雜動力學行為的研究、多相混合材料介質或具有復雜結構的材料其力學特性的研究中，它涉及粉末加工、研磨技術、混合攪拌等工業(yè)加工和糧食等顆粒離散體的倉儲和運輸等生產實踐領域?！　∩Ⅲw物料如藥品、化肥等，在實際生產和試驗中表現出十分復雜的運動行為和力學行為，而這些行為通常又無法直接使用現有基本理論，尤其是基于連續(xù)介質理論的方法來解釋。和基于連續(xù)介質理論的分析方法不同，離散單元法是把介質看做由一系列離散的獨立運動的單元（粒子）組成的，根據離散物質本身所具有的離散特性建立數學模型，將需要分析的物體看做離散顆粒的集合，這就與離散物質本身的性質相一致。因此，離散單元法在分析具有離散體性質的物料時具有很大的優(yōu)越性。　　使用離散單元法進行模擬分析，可以直接獲得離散物質大量復雜行為信息以及不易測量的顆粒尺度行為信息，并且可以為粒子流的運動、受力、熱量和能量傳遞提供高級的解決途徑。另外，離散單元法使用簡單的方程就可以對高度復雜系統的準靜態(tài)和動態(tài)行為進行模擬，使得解決途徑簡捷可行。對于連續(xù)介質理論無法解釋和分析的物質力學行為，離散單元法也可以進行準確的預測和分析。

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