Статьи

От шерсти животных до колосьев: модель гибких волокон в Rocky позволяет расширить спектр задач, решаемых методом дискретных элементов

Метод дискретных элементов (DEM) находит все более широкое применение, поэтому виды моделируемых материалов становятся более разнообразными. Довольно часто в реальных условиях частицы имеют волокнистую форму, как в случае с сеном или шерстью, поэтому при проектировании оборудования для работы с такими материалами следует учитывать гибкость частиц. 

Стандартные DEM-алгоритмы моделируют частицы, используя метод кластеров частиц или «склеенных» сфер. Этот метод легко применять благодаря простым алгоритмам обнаружения контактов сфер, однако у него есть существенные недостатки, такие как невозможность эффективно создавать крупномасштабные модели, содержащие частицы с высоким соотношением длины к толщине. Например, чтобы с высокой точностью смоделировать продолговатую частицу сена с соотношением 1:1000, как минимум 1000 сфер (диаметром 1 мм) должны быть соединены вместе. В таком случае потребуется больший объем памяти, а расчет будет выполнятся дольше. 

Прочитав эту статью, вы узнаете о том, как модель гибких волокон в Rocky DEM справляется с задачами расчета поведения частиц и позволяет эффективно моделировать частицы с высоким соотношением длина/толщина, такие как сено, ячмень, шерсть животных, сетки, бревна и многое другое.

Твердые и гибкие волокна

В Rocky DEM форма волокна описываются в одномерных категориях, то есть в трехмерном пространстве геометрия волокна может быть описана линией (или несколькими линиями).

Волокна могут быть жесткими или, если они состоят из нескольких сегментов, гибкими. При таком подходе гибкое волокно строится за счет соединения сфероцилиндрических элементов связями с упругими и вязкими свойствами, как схематично показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Схематичное представление гибкого волокна.

Движение гибких частиц описывается линейными и угловыми перемещениями в виртуальных связях между сфероцилиндрическими элементами. Такие перемещения приводят к возникновению сил и моментов в связях, которые воздействуют на соседние элементы. Таким образом моделируются нормальные, тангенциальные, изгибные и крутильные деформации.

Ниже представлен пример, демонстрирующий испытание волокна на сжатие. Данная модель была создана для исследования кривой отклика «сила-деформация» и гистерезисного поведения сена. Затем обе характеристики были использованы для калибровки параметров сена и их дальнейшего применения в будущих DEM-расчетах.

Видео 1. Испытание волокна на сжатие.

Прямая и нестандартная форма волокон

Модель волокон позволяет имитировать прямые волокна (линейная форма, как показано на рисунке 1) или создавать волокна нестандартной формы, импортируя в Rocky файл в формате .txt. В нестандартных волокнах сфероцилиндрические элементы могут быть расположены в произвольном порядке, формируя сложные геометрические формы с разветвлениями, как показано на рисунке 2. Разветвления могут иметь разный диаметр и разную жесткость, что позволяет применять моделирование методом дискретных элементов для более широкого круга задач.

Рисунок 2. Примеры нестандартных форм волокон с разветвлениями.

Анизотропия, пластическая деформация, нарушение целостности и разрушение

Усовершенствованная модель волокон в Rocky DEM включает в себя эффекты пластической деформации, анизотропию и модель нарушения целостности, позволяющие с высокой точностью моделировать более широкий круг материалов в более сложном оборудовании. 

В Rocky DEM можно установить индивидуальную жёсткость соединения для каждой деформации: нормальной, тангенциальной, деформации изгиба и кручения. Более того, с помощью билинейной упругопластической модели можно моделировать переход между упругим и упругопластическим режимами, в том числе добавлять критерий разрушения, который моделирует потерю жесткости соединения без разрыва, то есть без разделения элементов. 

Видео 2. Волокно, смоделированное с использованием билинейной упругопластической модели с критерием разрушения.

Также важно отметить, что волокна могут разрушаться от воздействия растягивающих или сдвиговых напряжений в области связей.

Видео 3. Разрушение волокна от воздействия сдвиговых напряжений. 

 

Примеры использования модели гибких волокон

Пример 1. Движение шерсти животных внутри пылесоса 

Данная модель демонстрирует совместный DEM-CFD –расчет (1-way) с большим количеством пучков шерсти внутри пылесоса и прогнозирует их поведение по таким параметрам, как гибкость и спутывание волос друг с другом. Пучки шерсти смоделированы с помощью модели гибких волокон с разным диаметром, а воздушные потоки, смоделированные в Ansys Fluent, предопределяют траектории частицы внутри циклонного устройства.

Видео 4. Связный расчет в Rocky DEM и Ansys Fluent с использованием модели гибких волокон.

Подробнее об этом опыте применения Rocky DEM вы можете узнать по ссылке.

Пример 2. Анализ производительности сеноворошителя

Данный пример демонстрирует модель сеноворошителя, которая была создана для сравнительного анализа его эффективности при различных эксплуатационных условиях. Целью моделирования было убедиться в том, что машина обращается с материалом надлежащим образом. Для имитации сена была использована модель гибких волокон, а возможность вычислений на нескольких графических процессорах (GPU) позволила инженерам смоделировать большое количество частиц.

Видео 5. Моделирование сеноворошителя.

Пример 3. Расчет производительности комбайна для уборки ячменя

В данном примере показана модель передней части уборочного комбайна, в том числе процесс разрушения сена и пластическая деформация стеблей. Частицы материала были смоделированы с помощью нестандартного типа модели гибких волокон Rocky DEM.

Видео 6. Моделирование уборочного комбайна.

Пример 4. Оценка производительности дробилки для древесины

В данном примере целью было исследовать эффективность дробления при различных скоростях вращения диска, а также оценить, произойдет ли засорение при увеличении объема древесины. Ветки дерева были смоделированы с использованием модели разрушения волокон.

Видео 7. Моделирование дробилки для древесины.

Пример 5. Загрязнение теплообменников

В данном исследовании компания Sub-Zero использовала инструмент Rocky DEM совместно с Ansys Fluent, чтобы оценить устойчивость теплообменника к загрязнению. Данное исследование имело большое значение, так как оно позволило инженерам Sub-Zero проектировать более компактные, энергоэффективные и не требующие обслуживания холодильные системы.

Волокна хлопкового линтера были воссозданы с помощью модели гибких волокон. Гидродинамические силы учитывались за счет односторонней связи Rocky DEM с Ansys Fluent. Кроме того, для имитации электростатической силы, действующей на волокна, была добавлена модель адгезии.

Рисунок 3. Исследование процесса загрязнения в теплообменниках с применением модели гибких волокон для имитации волокон хлопкового линтера.

Пример 6. Моделирование линии для сортировки бревен

Данный пример демонстрирует модель линии для сортировки круглого леса с использованием нестандартного типа твердых волокон. Бревна имеют неоднородный диаметр.

Видео 8. Линия сортировки бревен.

Пример 7. Падение мармеладных мишек на сетку

В этом примере смоделирован процесс падения мармеладных мишек (с использованием модели вогнутых частиц) на эластичную сетку, смоделированную с использованием пользовательской модели волокнистых частиц.

Видео 9. Пример модели вогнутых частиц и модели гибких волокон с использованием пользовательской модели волокнистых частиц.

Узнать о модели гибких волокон более подробно вы можете, прочитав статью на официальном сайте Rocky DEM (на английском языке) по ссылке.

Автор статьи – Луцилла Алмейда (Lucilla Almeida), международный специалист по численному моделированию в ESSS. Луцилла имеет степень бакалавра базового инжиниринга в области химии, степень магистра в области химической инженерии, Ph.D. в области ядерной инженерии в Федеральном университете Рио-де-Жанейро. Она присоединилась к команде ESSS в 2008 году и на протяжении пяти лет занималась применением вычислительной гидродинамики для решения общих инженерных задач в нефтегазовой отрасли, моделируя турбулентные и многофазные потоки. С 2013 года Луцилла работает специалистом по внедрению Rocky DEM, занимается поддержкой пользователей, консультационными услугами и валидацией моделей, применяемых в связных CFD-DEM-расчетах. 

Читать оригинал статьи