基于接触力学的密集颗粒流粗粒化模拟方法及应用

The discrete element method (DEM) using contact mechanics is a powerful tool for the study of granular flows. However, industrial granular flows typically demand huge computational cost, which significantly restricts the direct application of DEM. To solve this challenging problem, a theoretically strict constitutive equation with certain generality would be proposed for the dense flows of the industrial hopper discharge, pipeline conveying, moving bed, and so on. Through the combination of coarse grained model based on the constitutive equation and efficient GPU (graphic processing unit) parallel computing technique, the discharge of industrial hopper would be simulated. After the validation of coarse grained model by the results from direct numerical simulation, the flow mode, the effect of orifice size on discharge rate, and force nerwork would be extensively studied. This project is expected to construct certain methodology suitable for complex granular flows of the industrial system, and thus theoretically guide the optimal design of industrial device.

基于接触力学的离散单元法（Discrete Element Method，DEM）是研究颗粒流机理的有效手段，而真实工业装置模拟所需的极大计算量，限制了该方法的直接应用。本项目拟针对工业料仓卸料、管道输送以及移动床等密集颗粒流，通过建立严格且具有一定普适性的本构关系式，分析颗粒流的粗粒化准则，同时开发粗粒化模型的高效大规模GPU（图像处理单元）并行计算方法，从而实现对工业料仓卸料过程的数值模拟。在利用直接模拟结果验证粗粒化模型的基础上，全面考察工业料仓内部流型变化、底部开口尺寸对卸料速度的影响以及空间力链分布等相关规律。本项目的开展，有望形成适合工业体系复杂颗粒流研究的科学的模型方法论，并预期为工业设备的优化设计提供理论指导。

由于缺乏对颗粒流物理机制的深入认识，相关工业操作单元通常存在很大的能源浪费；离散单元法（Discrete Element Method，DEM）是研究颗粒流物理机制的有效手段，但工业过程的模拟具有极大的计算量。本项目基于NVIDIA公司的CUDA（Compute Unified Device Architecture, 统一计算设备架构）平台，并通过多种优化的算法实现措施，成功开发了颗粒接触力学模型的GPU（Graphic Processing Unit, 图像处理单元）并行计算软件平台。单GPU程序相对单CPU串行程序最高可获得25倍加速，且其并行计算也具有良好的可扩展性，从而有效提升了DEM模拟的计算速度与规模。针对颗粒流的粗粒化模拟问题，深入研究了三维水平滚筒（Rolling流型）的速度场相似性规律。滚筒空间被划分为大量网格，网格速度根据内部颗粒的速度与其所占体积份额进行加权平均统计。基于严格的流场相似性判定准则，研究表明颗粒直径、滑动摩擦系数与杨氏模量对稳态的速度场影响较大，而滚动摩擦系数、泊松比与法向阻尼系数的影响程度相对较小。同时，颗粒-滚筒的直径比具有一定的支配作用，该系数的恒定基本能保证不同系统所对应流场的一致性。基于离散模拟软件平台，进一步考察了几种工业混合器的颗粒混合机理与增混方式。研究发现，相对于水平安装的tote混合器，倾斜一定角度（45度最佳）的安装方式将显著提高颗粒的混合速度。由于倾斜混合器的操作方式破坏了其原有的截面对称性，系统将具有较大的平均轴向颗粒速度，从而增强了颗粒的轴向混合。此外，针对传统滚筒混合器轴向混合能力较弱的缺陷，设计了一种交错抄板式混合器。抄板长度等于滚筒轴向长度的0.75倍时，颗粒混合效率分别达到无抄板与全抄板滚筒混合器的16倍与5倍。最佳的抄板宽度为滚筒半径的5/6倍，而抄板数为4。对相关颗粒运动轨迹的追踪揭示，交错式抄板设计对颗粒运动施加了特殊的径向抛撒与轴向导流作用，从而显著提升了颗粒在轴向上的对流混合与扩散混合。总之，大规模GPU平行计算软件平台的开发为工业散料处理过程的机理分析提供了一条可行途径；滚筒中流场相似性研究为颗粒的粗粒化模拟提供了一定的理论指导；几种工业混合器的颗粒混合机理分析与增混方案则对相关工业设备的设计与优化具有重要的科学价值。