在工程模擬技術(shù)的前沿領(lǐng)域，積鼎科技憑借對(duì)市場(chǎng)趨勢(shì)的敏銳洞察和對(duì)技術(shù)創(chuàng)新的不懈追求，從專注CFD 軟件逐步拓展到 DEM 軟件領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了兩種技術(shù)的有機(jī)融合與互補(bǔ)。這一戰(zhàn)略布局不僅順應(yīng)了行業(yè)發(fā)展需求，更為解決復(fù)雜工程問題提供了更強(qiáng)大的工具。

一、CFD 與 DEM 概念解析及適用領(lǐng)域

CFD 作為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的核心技術(shù)，通過離散化求解納維 - 斯托克斯方程，在模擬流體流動(dòng)、傳熱及化學(xué)反應(yīng)等方面表現(xiàn)卓越。在航空航天領(lǐng)域，CFD 能夠精準(zhǔn)模擬飛行器周圍的氣流，助力優(yōu)化外形設(shè)計(jì)，降低空氣阻力，提升飛行性能；在汽車工業(yè)中，它可以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒過程，提高燃油效率。然而，CFD 并非萬能，尤其在處理顆粒體系時(shí)存在明顯短板。當(dāng)面對(duì)高濃度顆粒 - 流體兩相流，如礦石研磨、氣力輸送等場(chǎng)景，CFD 將顆粒相視為連續(xù)介質(zhì)的簡化處理方式，難以捕捉顆粒間復(fù)雜的相互作用，對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡和碰撞行為的模擬精度大打折扣。而且，對(duì)于復(fù)雜形狀和特殊性質(zhì)的顆粒，CFD 在網(wǎng)格生成和特性考慮上困難重重，容易引入數(shù)值誤差。

與CFD 不同，DEM 專注于顆粒材料行為模擬。它把每個(gè)顆粒當(dāng)作離散個(gè)體，跟蹤其位置、速度和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，通過一系列力定律模擬顆粒間的相互作用。在建筑行業(yè)的混凝土攪拌過程模擬中，DEM 能精確考慮水泥顆粒與骨料的形狀、性質(zhì)差異，優(yōu)化攪拌工藝，提升混凝土質(zhì)量；在糧倉谷物存儲(chǔ)模擬里，它可預(yù)測(cè)谷物堆積形狀和密度分布，保障存儲(chǔ)穩(wěn)定高效。DEM 在處理復(fù)雜顆粒特性和相互作用方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，恰好彌補(bǔ)了 CFD 的不足。

二、DEM 的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

（一）精確描述顆粒個(gè)體行為

DEM 最大的優(yōu)勢(shì)之一在于能夠精確描述每個(gè)顆粒的個(gè)體行為。它可以詳細(xì)跟蹤每個(gè)顆粒的位置、速度和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)隨時(shí)間的變化。在模擬顆粒流動(dòng)過程時(shí)，DEM 能夠清晰展現(xiàn)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，以及顆粒之間的碰撞、摩擦和堆積等現(xiàn)象。以糧倉中谷物顆粒的存儲(chǔ)為例，DEM 可以模擬谷物在倉內(nèi)的填充過程，預(yù)測(cè)谷物堆積的形狀和密度分布，幫助優(yōu)化糧倉的設(shè)計(jì)，確保存儲(chǔ)的穩(wěn)定性和高效性。這種對(duì)顆粒個(gè)體行為的精確模擬，是 CFD 難以企及的。

（二）處理復(fù)雜顆粒特性和相互作用

DEM 能夠輕松應(yīng)對(duì)復(fù)雜形狀和具有特殊性質(zhì)的顆粒。通過定義合適的顆粒形狀模型和相互作用參數(shù)，DEM 可以準(zhǔn)確模擬不同形狀顆粒的運(yùn)動(dòng)和相互作用。對(duì)于具有粘性的顆粒，DEM 可以設(shè)置相應(yīng)的粘性力模型，模擬顆粒之間因粘性而產(chǎn)生的團(tuán)聚現(xiàn)象。如在建筑行業(yè)的混凝土攪拌過程模擬中，DEM 能夠考慮到水泥顆粒、骨料等不同形狀和性質(zhì)的顆粒之間的相互作用，優(yōu)化攪拌工藝，提高混凝土的質(zhì)量。此外，DEM 還能模擬顆粒與固體壁面之間復(fù)雜的相互作用，為設(shè)備的磨損分析提供依據(jù)。

三、DEM軟件的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景

（一）化工行業(yè)：流化床反應(yīng)器的模擬

在化工生產(chǎn)的流化床反應(yīng)器內(nèi)，氣固兩相的流動(dòng)與反應(yīng)過程極為復(fù)雜。CFD 可以模擬流體在反應(yīng)器內(nèi)的整體流動(dòng)模式，分析反應(yīng)器內(nèi)的溫度和濃度分布，對(duì)于優(yōu)化反應(yīng)器的宏觀性能有一定幫助。然而，對(duì)于反應(yīng)器內(nèi)催化劑顆粒的運(yùn)動(dòng)和分布情況，CFD 的模擬結(jié)果不夠精確。催化劑顆粒在氣流作用下的流化狀態(tài)，直接影響著反應(yīng)效率和催化劑的使用壽命。

DEM 可以詳細(xì)模擬催化劑顆粒在氣流中的運(yùn)動(dòng)軌跡、顆粒間的碰撞與摩擦，以及顆粒與反應(yīng)器壁面的相互作用，預(yù)測(cè)顆粒的磨損情況以及顆粒與流體之間的傳熱傳質(zhì)效率。通過 DEM 模擬，能夠?yàn)榱骰卜磻?yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和操作參數(shù)優(yōu)化提供更準(zhǔn)確的依據(jù)，提高反應(yīng)器的運(yùn)行穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。

基于離散模擬軟件DEMms的氣固流化床設(shè)計(jì)優(yōu)化模擬

（二）冶金行業(yè)：高爐煉鐵過程分析

在冶金行業(yè)的高爐煉鐵過程中，涉及到爐料（鐵礦石、焦炭等顆粒）與高溫氣流的相互作用。CFD 可以對(duì)高爐內(nèi)的氣流分布、溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，幫助工程師了解高爐內(nèi)的宏觀熱工狀態(tài)。但高爐內(nèi)爐料顆粒的運(yùn)動(dòng)、堆積和還原反應(yīng)過程十分復(fù)雜，CFD 難以精確描述。

DEM 能夠?qū)t料顆粒視為離散個(gè)體，考慮顆粒的大小、形狀、密度以及顆粒間的摩擦力、碰撞力，還有高溫下顆粒的物理化學(xué)變化。通過 DEM 模擬，可以清晰展現(xiàn)爐料顆粒在高爐內(nèi)的下降過程、分布情況，以及顆粒與氣流的相互作用對(duì)還原反應(yīng)的影響，為優(yōu)化高爐布料制度、提高鐵水質(zhì)量和產(chǎn)量提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。

基于離散模擬軟件DEMms的高爐爐頂布料模擬

（三）制藥行業(yè)：藥物顆粒混合與制劑工藝

在制藥行業(yè)中，藥物顆粒的混合均勻度直接影響藥品質(zhì)量。CFD 在模擬藥物顆粒混合過程中，通常將顆粒相簡化處理，難以準(zhǔn)確反映顆粒間復(fù)雜的相互作用。

而DEM 可以針對(duì)不同形狀、大小和性質(zhì)的藥物顆粒，設(shè)定精確的相互作用參數(shù)。在模擬藥物顆粒在混合器中的混合過程時(shí)，DEM 能夠詳細(xì)跟蹤每個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析顆粒的團(tuán)聚與分散行為，預(yù)測(cè)混合時(shí)間和混合效果。此外，在制劑工藝中，如壓片過程中顆粒的壓實(shí)和成型，DEM 也能模擬顆粒在壓力作用下的變形、位移和相互作用，幫助優(yōu)化制劑工藝參數(shù)，確保藥品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

基于離散模擬軟件DEMms的藥物膠囊顆粒模擬

四、CFD 與 DEM 的耦合趨勢(shì)

CFD 和 DEM 各有特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在一些復(fù)雜的多相流問題中，單獨(dú)使用 CFD 或 DEM 都無法全面準(zhǔn)確地描述整個(gè)系統(tǒng)的行為。

CFD 與 DEM 的耦合趨勢(shì)為積鼎科技的軟件發(fā)展指明了新方向。如在氣力輸送系統(tǒng)模擬中，通過耦合，CFD 計(jì)算的流體參數(shù)傳遞給 DEM 計(jì)算顆粒受力，DEM 計(jì)算的顆粒反作用力反饋給 CFD，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體流動(dòng)和顆粒輸送過程的全面準(zhǔn)確模擬，深入理解系統(tǒng)工作機(jī)制，為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更全面的依據(jù)。

積鼎科技從CFD 延展到 DEM 軟件，是技術(shù)創(chuàng)新與市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)的必然選擇。這兩種軟件相互補(bǔ)充，在多行業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮了巨大價(jià)值，為解決復(fù)雜工程問題提供了更完善的方案。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，積鼎科技有望在 CFD 與 DEM 的融合應(yīng)用上持續(xù)創(chuàng)新，為更多行業(yè)的發(fā)展注入新動(dòng)力。

離散元多尺度自主模擬軟件DEMms

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)雜過程

可實(shí)現(xiàn)萬核以上大規(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)超萬億級(jí)

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

投入工程應(yīng)用十余年，完成工業(yè)級(jí)項(xiàng)目近100項(xiàng)

審核編輯 黃宇