基于CFD-DEM耦合的三维仿真软件研制

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流固两相流在人们的生产生活中应用广泛,航天、冶金、石油、热能动力、农业生产都离不开它。目前流固两相流的研究大都采用理论研究和实物实验的方法,还有采用多种商品软件耦合的办法来进行仿真模拟,但由于商品软件价格昂贵,既不利于理论研究也不利于仿真实验。采用CFD软件仿真计算,可以为实验提供指导,以节省大量的人力、物力和时间,让研究人员从繁重的编程和试验中解脱出来,把更多的精力投放在计算流体力学的理论研究上。所以本文研究了与DEM(离散单元法)软件耦合的CFD(计算流体力学)软件功能模块。本文从微观机理出发,以非定常、不可压缩的牛顿流体为研究对象,以三维结构化同位网格为离散空间,以有限体积法为离散化的主要方法,在时间上采用全隐式时间方案,对流场的计算方法采用SIMPLER算法为理论依据,对离散的方程组采用了G-S和TDMA两种迭代方法来求解,利用C++语言为开发语言,以OpenGL为显示工具,通过ODBC实现了对Access数据库的访问,在此基础上编写完成了三维瞬态模式的CFD软件。并且在对现有离散元法(DEM)理论进行深入研究的情况下,实现了该CFD软件与本项目组已经完成的DEM软件的耦合,以求能够仿真模拟流固两相流,并且实现了流固两相流双向耦合。通过与商品软件的对比测试,初步证明了CFD软件效果接近事实,验证了软件的正确性和可靠性。最后,作者又利用CFD-DEM耦合软件成功的仿真模拟了气吹式排种器的工作过程。采用CFD与DEM(颗粒离散元法)耦合的方法,不但可以模拟仿真流场的变化,更能模拟出颗粒遇到流场后,受到流场作用力时的运动,以及流场受到颗粒的反作用力(即双向耦合),这使得仿真结果更接近于现实情况。既扩展了离散元法的研究角度,又增加了计算流体力学的范围,使这二者的理论体系得到融合。从而可减少新产品的试验的次数,加快新产品的研发速度,提高新产品的质量,减少新产品研发的开销。因此,CFD-DEM应用前景广泛,意义重大,它能够有效的节省时空成本。本文在系统的完成了CFD软件从前端预处理到求解器的计算再到计算结果的后处理这一系列的功能,并且在理解DEM软件的结构后,改进了项目组已有DEM软件的功能。改进的功能包括DEM软件计算区域的自动生成,当DEM读取数据库时,程序调用计算域生成算法自动生成计算域,而合理的计算域范围能够减少网格数量,提高计算速度。文件系统的改进包括添加了计算参数的保存文件,计算参数的保存文件能够方便的载入和查询某次仿真计算参数,通过这些计算参数的载入可以减少用户的输入操作,通过查询某次仿真参数可以让用户了解某次仿真的参数设置。增添的用户交互操作功能包括利用鼠标滚轮实现仿真物体的放大和缩小,拖拽鼠标右键实现物体的旋转,拖拽鼠标左键实现物体的平移以及多文档退出的提示,这些功能可以使用户更好的操作DEM软件。对数据库的改进包括添加了虚边界振动以及多种虚边界共存,这些改动完善了虚边界的功能。综上所述,本文的研究内容包括CFD软件算法的探讨和程序的编写,CFD-DEM耦合功能的实现,DEM软件的改进以及对CFD功能和CFD-DEM耦合功能的测试。通过对软件的测试,初步证明了CFD功能和CFD-DEM耦合功能的可行性和可靠性。
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