Rocky DEM jest najpotężniejszym na rynku oprogramowanie do symulacji metodą elementów dyskretnych. Dużą zaletą Rocky DEM jest możliwość modelowania fazy dyskretnej w formie dowolnego kształtu (W większości systemów tworzone są kształty sferoidalne). Jego możliwości są dodatkowo poszerzone przez łatwe dwukierunkowe sprzężenie z ANSYS Mechanical i ANSYS FLUENT.
Metoda DEM
Metoda ta polega na bezpośrednim śledzeniu cząstek jako elementów dyskretnych. Pozwala to na dokładniejsze modelowanie oddziaływań cząstek na siebie wzajemnie jak również na ściany zawarte w geometrii. Rocky-DEM umożliwia również na uwzględnienie parametrów materiałowych cząstek jak oraz sposób ich niszczenia. Dodatkowo, program pozwala na analizę zużycia materiału oraz wymianę ciepła między cząstkami a ścianami oraz, przy połączeniu z programem Fluent na wymianę ciepła z płynem. Rocky-DEM wyróżnia się na tle konkurencji możliwością dowolnego kształtowania cząstek. Możliwy jest wybór cząstek z bogatej biblioteki, jak również użycie własnej geometrii w formacie STL (Rys. 1), co przy wykorzystaniu możliwości inżynierii odwróconej pozwala dużo dokładniej odwzorować zachodzące procesy.
CFD – DEM coupling. Sprzężenie symulacji DEM i CFD.
W przedstawionym przykładzie, do symulacji zamrażania owoców wykorzystano dwukierunkowe połączenie programu Rocky-DEM oraz ANSYS Fluent 18.2. Zamrażanie odbywa się na sicie wibracyjnym poprzez przepływ zimnego powietrza od spodu sita (Rys. 2).
Ruch cząstek oraz sita zadany został w programie Rocky-DEM, natomiast przepływ powietrza rozpatrywany był w programie ANSYS Fluent 18.2. Podobnie jak w poprzednim przykładzie, Rocky-DEM pozwala na uproszczenie procesu obliczeń i wykorzystanie jako pliku wejściowego geometrii pliku CAS, wygenerowanego w programie ANSYS Fluent. Ponadto, każdy ruch siatki, zapisany w pliku CAS zostanie przypisany do odpowiedniej geometrii w programie
Rocky-DEM. Dodatkową zaletą jest możliwość symulacji ruchu geometrii bez jej fizycznego przemieszczenia. Odbywa się to poprzez zdefiniowanie ruchu w programie Rocky-DEM, a następnie wybranie opcji „keep in place”. Powoduje to, że na węzłach wybranej geometrii przekazywana cząstkom jest informacja o prędkości bez fizycznego przemieszczenia geometrii. Jest to niezwykle przydatne na przykład w celu modelowania skomplikowanej geometrii przenośników taśmowych (Rys. 3).
DEM – FEM coupling. Sprzężenie symulacji DEM i MES
Możliwości wykorzystania kodu Rocky-DEM do symulacji obciążeń mechanicznych z zostały przedstawione na przykładzie napełniania wagonu kolejowego z wykorzystaniem połączenia z programem ANSYS Mechanical 18.2.
Konstrukcja wagonu została uproszczona do powierzchni wewnętrznych, a obciążeniem działającym na te powierzchnie były cząstki, spadające do wnętrza wagonu. Symulacja pozwoliła na zbadanie nie tylko naprężeń i odkształceń wynikających z rozmieszczenia masy wewnątrz wagonu, jak również na zbadanie zmienności tych parametrów w czasie napełniania (rys. 4-5).
Warto również wspomnieć, że importowaną do programu Rocky-DEM geometrią może być plik MSH, czyli siatka numeryczna wykorzystana w symulacji mechanicznej. Pozwala to na zachowanie spójnej siatki i jednakowego pola ciśnienia dla obu symulacji – DEM oraz FEM. Kolejną zaletą takiego rozwiązania jest na spora oszczędność czasu pracy ponieważ nie ma w tym przypadku potrzeby generowania dodatkowej siatki na potrzeby symulacji DEM.
Modelowanie procesu mieszania
Na przykładzie złoża fluidalnego zaprezentowano możliwości wykorzystania programu Rocky-DEM do modelowania zjawiska mieszania (Rys. 6). W przeciwieństwie do powszechnie stosowanych metod, metoda DEM umożliwia dokładne śledzenie poszczególnych cząstek lub całych grup. W przedstawionym przykładzie, złoże w stanie początkowym podzielono na 8 części, a poszczególnym cząstkom przypisano przynależność do danej grupy w wybranym momencie symulacji (tutaj stan początkowy). Następnie aktywowano połączenie pomiędzy programami w celu symulacji procesu fluidyzacji. Należy również nadmienić, że wszystkie operacje post-processing’u mogą być wykonywane i zapisywane w trakcie obliczeń, wliczając w to możliwość renderowania animacji.
W celu walidacji wyników obliczeń wykorzystano doświadczenie w modelowaniu złóż fluidalnych przy użyciu metody Euler-Euler oraz hybrydowej metody Euler-Lagrange (model DDPM). W badanej domenie wyznaczono powierzchnie pomiarowe, na których mierzono spadek ciśnienia złoża jako średnią po czasie i powierzchni. Wyniki tej symulacji przedstawia Rys. 7. Jak łatwo zauważyć, wszystkie metody dały porównywalne wyniki spadku ciśnienia, będącego podstawowym parametrem walidacji obliczeń numerycznych złóż fluidalnych.
Zasadniczą przewagą metody DEM, przy wykorzystaniu programu Rocky-DEM jest możliwość wyboru, jakie zasoby ma obciążyć dany program. W powyższej symulacji, program Rocky-DEM wykonywał obliczenia obciążając jednostkę GPU, natomiast Fluent jednostkę CPU. Rozwiązanie takie przyspiesza obliczenia poprzez brak konieczności współdzielenia zasobów pomiędzy programami.
Zobacz przykładowe wyniki w 3D
