離散單元法及其在EDEM上的實(shí)踐

前言

　　離散單元法是由美國學(xué)者Cundall P.A.教授在1971年基于分子動(dòng)力學(xué)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(gè)剛性元素滿足運(yùn)動(dòng)方程，用時(shí)步迭代的方法求解各剛性元素的運(yùn)動(dòng)方程，繼而求得不連續(xù)體的整體運(yùn)動(dòng)形態(tài)。離散單元法被廣泛地應(yīng)用于離散體在復(fù)雜物理場(chǎng)作用下的動(dòng)力學(xué)行為和多相混合介質(zhì)力學(xué)特性的研究中，涉及巖土力學(xué)、粉末加工、研磨技術(shù)、混合攪拌等工業(yè)過程和糧食等顆粒離散體的倉儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)實(shí)踐領(lǐng)域。EDEM是英國DEM-Solutions公司開發(fā)的、在全球處于領(lǐng)先地位的離散單元法應(yīng)用軟件，該軟件的功能是仿真、分析和觀察粒子流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。離散單元法作為一種新興的散料分析方法，已經(jīng)快速地成長起來，很多產(chǎn)業(yè)如礦物加工、原料處理、石油和煤氣的生產(chǎn)等都可應(yīng)用EDEM進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析?！　”緯榻B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(shí)還給出了基于EDEM進(jìn)行研究的工業(yè)應(yīng)用實(shí)例。全書共分5章，第1章介紹離散單元法的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)；第2章介紹離散單元法的基礎(chǔ)理論，包括離散單元法的基本概念、顆粒物質(zhì)的基本性質(zhì)、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(yīng)用，包括EDEM基本結(jié)構(gòu)、創(chuàng)建和初始化模型、模擬仿真和計(jì)算及對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行顯示和分析；第4章通過螺旋輸送機(jī)輸送物料的仿真、球磨機(jī)物料破碎仿真、顆粒熱傳導(dǎo)仿真、EDEM與FLUENT耦合仿真等實(shí)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(yīng)用?！　”緯鴮㈦x散單元法基礎(chǔ)理論、國際大型通用離散單元法工具軟件與工程應(yīng)用實(shí)例密切結(jié)合，通過應(yīng)用實(shí)例使讀者掌握離散單元法的實(shí)質(zhì)內(nèi)容及EDEM工程應(yīng)用方法。本書可作為高等院校高年級(jí)本科生或研究生學(xué)習(xí)離散單元法和EDEM的教材或教學(xué)參考書，也可作為企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)的科技工作者學(xué)習(xí)EDEM的參考書?！　”緯杉执髮W(xué)王國強(qiáng)、郝萬軍、王繼新編寫，吉林大學(xué)胡際勇、田秋娟、都鵬杰、陳超、李學(xué)飛、張玉新等參與了部分編校工作。全書由王國強(qiáng)教授統(tǒng)稿，?；疚弘S利研究員主審?！　”緯木帉懙玫搅撕；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(nèi)、外學(xué)者公開出版的相關(guān)專著和文獻(xiàn)，在此一并向這些專著和文獻(xiàn)的作者表示衷心的感謝?！　∮捎诰幷咚接邢蓿瑫腥秉c(diǎn)、錯(cuò)誤在所難免，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

內(nèi)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(yīng)用軟件EDEM及其使用方法，同時(shí)還介紹了基于EDEM的工業(yè)應(yīng)用實(shí)例。主要內(nèi)容有：離散單元法的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，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(yīng)用?！峨x散單元法及其在EDEM上的實(shí)踐》將離散單元法基礎(chǔ)理論、國際通用離散單元法工具軟件及工程應(yīng)用實(shí)例密切結(jié)合，通過應(yīng)用實(shí)例使讀者掌握離散單元法的實(shí)質(zhì)內(nèi)容及EDEM工程應(yīng)用技巧。　　本書可作為高等院校高年級(jí)本科生或研究生學(xué)習(xí)離散單元法和EDEM的教材或教學(xué)參考書，也可作為企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)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?fàn)顩r　　1.2.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r　1.3 離散單元法的發(fā)展趨勢(shì)　　1.3.1 離散單元法基礎(chǔ)理論　　1.3.2 并行計(jì)算方法　　1.3.3 多尺度和多學(xué)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(yīng)用軟件EDEM　　1.4.1 EDEM的功能特點(diǎn)　　1.4.2 EDEM的應(yīng)用范圍第2章 離散單元法的基礎(chǔ)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(dòng)性　　2.1.7 磨損性與磨琢性　　2.1.8 黏結(jié)性與凍結(jié)性　2.2 顆粒接觸理論　　2.2.1 模型假設(shè)　　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(duì)比　2.4 熱傳遞理論　　2.4.1 熱對(duì)流　　2.4.2 熱傳導(dǎo)　　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(shí)間步長的確定第3章 EDEM的基本應(yīng)用　3.1 EDEM基礎(chǔ)　　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(shè)置子面板　　3.2.2 粒子系統(tǒng)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(shè)置子面板　　3.4.3 方格設(shè)置子面板　　3.4.4 剖切設(shè)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(shù)據(jù)輸出功能　　3.4.8 圖表生成功能第4章 EDEM操作實(shí)例　4.1 螺旋輸送機(jī)輸送物料的仿真　　4.1.1 EDEMCreator：創(chuàng)建模型　　4.1.2 EDEMSimulator：設(shè)置仿真參數(shù)進(jìn)行仿真　　4.1.3 EDEMAnalyst：分析仿真結(jié)果　4.2 顆粒熱傳導(dǎo)仿真　　4.2.1 EDEMCreator：建立模型　　4.2.2 EDEMSimulator：運(yùn)行仿真　　4.2.3 EDEMAnalyst：結(jié)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(jié)果　4.4 自定義顆粒的仿真_　　4.4.1 EDEMCreator：建立模型　　4.4.2 EDEMSimulatot：運(yùn)行仿真　　4.4.3 EDEMAnalyst：分析仿真結(jié)果　4.5 球磨機(jī)物料破碎仿真　　4.5.1 EDEMCreator：創(chuàng)建模型　　4.5.2 EDEMSimulator：運(yùn)行仿真　　4.5.3 EDEMAnalyst：分析仿真結(jié)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(shè)置EDEM面板并啟動(dòng)Creator　　4.6.3 EDEMCreator：創(chuàng)建模型　　4.6.4 EDEMSimulator求解器　　4.6.5 Fluent：完成設(shè)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(shè)置EDEM面板并啟動(dòng)Creator　　4.7.3 EDEMCreator：建立模型　　4.7.4 EDEMSimulator　　4.7.5 Fluent：完成設(shè)置并進(jìn)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(yùn)行仿真　　4.8.4 EDEMAnalyst：分析仿真結(jié)果第5章 EDEM在工業(yè)中的應(yīng)用參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　離散單元法（Discrete Element Method，DEM）是由美國學(xué)者CundallP.A.教授在1971年基于分子動(dòng)力學(xué)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(yīng)用于巖石力學(xué)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(gè)剛性元素滿足運(yùn)動(dòng)方程，用時(shí)步迭代的方法求解各剛性元素的運(yùn)動(dòng)方程，繼而求得不連續(xù)體的整體運(yùn)動(dòng)形態(tài)。該方法允許單元間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不一定要滿足位移連續(xù)和變形協(xié)調(diào)條件，計(jì)算速度快，所需存儲(chǔ)空間小，尤其適合求解大位移和非線性的問題?！　‰x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(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮了其他數(shù)值算法不可替代的作用。首先，在巖土計(jì)算力學(xué)方面，由于離散單元更真實(shí)地表達(dá)節(jié)理巖體的幾何特點(diǎn)，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(yīng)用于模擬邊坡、滑坡和節(jié)理巖體下地下水滲流等力學(xué)過程的分析和計(jì)算中；離散單元法還可以在顆粒體模型基礎(chǔ)上通過隨機(jī)生成算法建立具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的模型，通過單元間多種連接方式來體現(xiàn)土壤等多相介質(zhì)間的不同物理關(guān)系，從而更有效地模擬土壤的開裂、分離等非連續(xù)現(xiàn)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(yīng)用于粉體在復(fù)雜物理場(chǎng)作用下的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為的研究、多相混合材料介質(zhì)或具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料其力學(xué)特性的研究中，它涉及粉末加工、研磨技術(shù)、混合攪拌等工業(yè)加工和糧食等顆粒離散體的倉儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)實(shí)踐領(lǐng)域?！　∩Ⅲw物料如藥品、化肥等，在實(shí)際生產(chǎn)和試驗(yàn)中表現(xiàn)出十分復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)行為和力學(xué)行為，而這些行為通常又無法直接使用現(xiàn)有基本理論，尤其是基于連續(xù)介質(zhì)理論的方法來解釋。和基于連續(xù)介質(zhì)理論的分析方法不同，離散單元法是把介質(zhì)看做由一系列離散的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的單元（粒子）組成的，根據(jù)離散物質(zhì)本身所具有的離散特性建立數(shù)學(xué)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(zhì)本身的性質(zhì)相一致。因此，離散單元法在分析具有離散體性質(zhì)的物料時(shí)具有很大的優(yōu)越性?！　∈褂秒x散單元法進(jìn)行模擬分析，可以直接獲得離散物質(zhì)大量復(fù)雜行為信息以及不易測(cè)量的顆粒尺度行為信息，并且可以為粒子流的運(yùn)動(dòng)、受力、熱量和能量傳遞提供高級(jí)的解決途徑。另外，離散單元法使用簡單的方程就可以對(duì)高度復(fù)雜系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行模擬，使得解決途徑簡捷可行。對(duì)于連續(xù)介質(zhì)理論無法解釋和分析的物質(zhì)力學(xué)行為，離散單元法也可以進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和分析。

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