技术分享 | ROCKY-FLUENT耦合在泥沙输送的解决方案

1、背景概述

泥沙输送是土木、桥隧、水利等工程领域的必要工作，输送管道在长时间使用后不可避免出现泥沙沉淀、管路磨损等现象。

由于泥沙颗粒存在粘附、聚集成团等特性，直接基于FLUENT的欧拉多相流模型分析沉淀等现象存在一定的难度，需要使用ROCKY-FLUENT耦合仿真。耦合仿真的数据传递如图所示。

最新的2024R2版本，ROCKY安装包中内置了和FLUENT双向耦合插件，无需额外进行数据传递的设置。

2、仿真模型

2.1 模型概述

通过ROCKY-FLUENT耦合仿真分析如图所示泥沙输送管路的泥沙颗粒聚集成团和附着管路表面现象。

重力方向为Z轴负向，液体介质为清水。

2.2 FLUENT设置

在FLUENT中使用瞬态仿真，开启重力选项。

需要开启欧拉多相流模型，其模型设置如图所示。

多相流模型中包括水和颗粒两个相。颗粒相设置为液体，其属性可为任意值。颗粒的真实运动基于ROCKY计算结果进行数据传递，无需在FLUENT中额外计算。

本案例中仅考虑颗粒的阻力，采用Schiller-Naumann模型。

边界条件部分，入口水流速度 1 m/s。入口和出口回流中的颗粒相体积分数必须设置为0，否则计算报错。

在ROCKY-FLUENT的双向耦合中，速度-压力耦合方式仅支持Phase coupled SIMPLE选项。出于数值稳定性考虑，全部采用一阶迎风格式。

在耦合计算之前，FLUENT单独计算一段时间不含颗粒相的纯水流动，其流场作为初始时刻流场。

2.3 ROCKY设置

Rocky中支持三种黏着力方法：常数、线性、JKR。JKR方法由于不支持粗颗粒模型不予考虑，本模型设置为线性方法。

由于泥沙颗粒的尺寸很小，颗粒数很多，需要开启粗颗粒模型（CGM）以简化计算。直接计算大量颗粒会远超当前的硬件计算能力。

其中CGM模型放大倍数取30，即一个粗颗粒等效于30^3个真实颗粒。颗粒尺寸分布于 0.1 – 0.5 mm。

根据颗粒动力学的结论，密集堆积的颗粒堆积密度约为颗粒真实密度的60%。

分别对颗粒间和颗粒-管道的黏着相关参数进行设置，其具体数值需要结合材料测试结果进行校准。

为了避免入口即出现颗粒黏着问题，将颗粒物入口设置为稍小于管道直径。入口颗粒物流量 1 kg/s。

Rocky中将CFD Coupling设置为双向耦合，并导入前述步骤设置完成的Fluent模型与初始条件结果。

在Rocky中提交求解，无需开启Fluent界面。Fluent采用CPU求解，Rocky采用GPU求解。本案例计算时间 2 s。

3、仿真结果

 局部放大后，可看出颗粒物因为黏着而聚集。

查看FLUENT多相流结果，其截面为如图所示的橙色面。

截面上的速度和颗粒相体积分数变化如动画所示。

关于新科益

新科益系统与咨询（上海）有限公司 作为Ansys Elite Partner全球精英级合作伙伴及中国铂金级代理商，致力于CAE仿真领域30余年，拥有资深的技术服务团队以及完整的培训和服务体系，为客户提供基于Ansys仿真平台多学科的仿真支持，包含：结构、碰撞、流体与热、电磁、光学、功能安全、材料数据管理等全线仿真领域；在新加坡、北京、上海、深圳、等都有本地的技术服务团队，为用户提供业界领先的仿真技术和及时专业的服务。