在多相流顆粒分離研究領(lǐng)域，精確模擬顆粒運(yùn)動(dòng)行為一直是技術(shù)攻關(guān)的核心難題。兩段錐形水力旋流器作為關(guān)鍵分離設(shè)備，其底流管直徑與入口速度對(duì)分離性能的影響機(jī)制復(fù)雜，亟需高精度模擬技術(shù)予以揭示?；诖耍瑘F(tuán)隊(duì)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)氣-液-固三相湍流模擬方法（VOF - RSM - DEM），其中自主研發(fā)的 DEMms 軟件，憑借獨(dú)特的算法架構(gòu)與模擬能力，成為攻克該難題的核心技術(shù)支撐。

創(chuàng)新算法架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)顆粒運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)建模

DEMms 軟件基于離散元法構(gòu)建核心算法體系，深度融合牛頓第二定律與歐拉第二運(yùn)動(dòng)定律，為顆粒的平移與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)提供精確的動(dòng)力學(xué)描述。在顆粒與流體、顆粒與顆粒及壁面的交互過(guò)程中，軟件通過(guò)多物理場(chǎng)耦合算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)曳力、升力、碰撞力等復(fù)雜作用力的實(shí)時(shí)計(jì)算。

值得一提的是，軟件引入的隨機(jī)跟蹤模型，采用拉格朗日隨機(jī)軌道理論，能夠準(zhǔn)確捕捉瞬時(shí)湍流速度脈動(dòng)對(duì)顆粒軌跡的影響，使模擬結(jié)果與實(shí)際工況的吻合度大幅提升。通過(guò)這種精細(xì)化的算法設(shè)計(jì)，DEMms 軟件成功將顆粒運(yùn)動(dòng)模擬精度提升至新高度。

嚴(yán)謹(jǐn)驗(yàn)證流程，確保模擬結(jié)果可靠性

為驗(yàn)證 DEMms 軟件在三相湍流模擬體系中的有效性，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了系統(tǒng)性驗(yàn)證工作。

以標(biāo)準(zhǔn)旋流器為研究對(duì)象，通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，確定了最優(yōu)網(wǎng)格劃分方案，有效避免因網(wǎng)格誤差導(dǎo)致的模擬偏差。在與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比中，軟件模擬的切向速度、軸向速度與實(shí)際測(cè)量值呈現(xiàn)高度一致性，壓降和液體分流比的相對(duì)誤差控制在工程可接受范圍內(nèi)，分離效率曲線(xiàn)的擬合度也達(dá)到理想水平。

這種從算法設(shè)計(jì)到模擬驗(yàn)證的全流程技術(shù)把控，充分證明了 DEMms 軟件在水力旋流器流體動(dòng)力學(xué)行為及分離性能模擬方面的可靠性與準(zhǔn)確性。

深度應(yīng)用剖析，挖掘分離性能關(guān)鍵規(guī)律

依托 DEMms 軟件構(gòu)建的高精度模擬體系，研究人員對(duì)兩段錐形水力旋流器展開(kāi)深入研究。在流場(chǎng)特性分析中，軟件能夠精細(xì)解析不同入口速度和底流管直徑工況下，切向速度分布的衰減規(guī)律、軸向速度的螺旋形態(tài)演變，以及氣核直徑的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。在分離性能研究方面，通過(guò)對(duì)大量顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的統(tǒng)計(jì)分析，精確繪制分離效率曲線(xiàn)，量化切割尺寸與可能偏差等關(guān)鍵參數(shù)。

研究發(fā)現(xiàn)，底流管直徑與進(jìn)料流速之間存在顯著的交互影響效應(yīng)，這一重要結(jié)論正是基于 DEMms 軟件對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的高精度模擬與數(shù)據(jù)分析得出。

?技術(shù)拓展前景，賦能多領(lǐng)域研究創(chuàng)新

當(dāng)前研究成果僅是DEMms軟件技術(shù)應(yīng)用的開(kāi)端。隨著VOF - RSM - DEM 雙向耦合數(shù)值方法的持續(xù)優(yōu)化，軟件將在更復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)與操作參數(shù)的水力旋流器研究中發(fā)揮重要作用。其技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷拓展。

在礦物加工中的細(xì)顆粒分級(jí)、煤炭開(kāi)采中的固液分離、生物技術(shù)中的細(xì)胞分選，以及環(huán)境工程中的污染物去除等場(chǎng)景，DEMms 軟件的高精度模擬能力有望為相關(guān)研究與工程實(shí)踐提供全新的技術(shù)思路與解決方案。

積鼎離散元多尺度模擬軟件DEMms

• 由中科院過(guò)程所開(kāi)發(fā)，投入工程應(yīng)用十余年，完成工業(yè)級(jí)項(xiàng)目近100項(xiàng)

• 可處理非球形和變形等復(fù)雜顆粒，以及多相傳遞反應(yīng)耦合等復(fù)雜過(guò)程

• 可實(shí)現(xiàn)萬(wàn)核以上大規(guī)模異構(gòu)并行計(jì)算，計(jì)算顆粒數(shù)可超十億級(jí)，對(duì)應(yīng)的物理顆粒數(shù)超萬(wàn)億級(jí)

• 計(jì)算規(guī)模與并行效率顯著高于同類(lèi)型主流商業(yè)軟件，具備長(zhǎng)時(shí)間或準(zhǔn)實(shí)時(shí)模擬多相流工業(yè)設(shè)備的能力