Rocky 2021.R2.2：基于离散元原理的颗粒流模拟软件更新

1 引言

颗粒流模拟广泛应用于固体动力学，流体动力学，热动力学，电磁动力学等领域。总的来说，有两大类模拟途径，一类途径是基于光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics，简称SPH), 例如计算软件Abaqus; 另一类途径是基于离散元(Discrete Element Method, 简称DEM)原理，这种途径在岩土工程领域最典型的软件是Itasca的PFC。除此之外，在机械应用领域使用离散元原理开发的软件有EDEM(Altair EDEM Professional 2021.2.0)和Rocky DEM(ESSS Rocky Version 4.5.2,1.17G)。

Update---基于离散元原理的颗粒流模拟软件Rocky 2021.R2.2的图1

这个笔记是对【基于离散元原理的颗粒流模拟软件Rocky 4.5.2】一文的更新与补充。Rocky初始是由Granular Dynamics International, LLC和Engineering Simulation and Scientific Software Company(ESSS)共同开发的基于离散元原理的软件，用来解决颗粒流的动力学问题。尽管现在Rocky是ANSYS的一部分，但仍然可以独立安装，不过版本号已经与ANSYS衔接在一起，最新版本为21.2.2 (11/16/2021)。

Update---基于离散元原理的颗粒流模拟软件Rocky 2021.R2.2的图2

2 集成性能

现在Rocky与Ansys Fluent和Motion可以进行完全耦合，这种集成性能主要体现在以下几个方面：

1) Rocky与Fluent耦合模拟流体颗粒相互作用，允许在Fluent中使用更大的时步，从而可以在不牺牲精度的情况下加快计算速度。

2) 求解器Solver功能扩展了传热、破碎、几何磨损等自定义模型的支持范围，用户可以自己自定义切向力或冲击能量模型。

3) Rocky和Ansys Motion之间的耦合能够创建复杂的运动系统，包括车辆和地面的相互作用，适合于模拟需要考虑几何之间交互的运动以及许多具有复杂运动约束的对象。

4) 计算速度大幅提升。

3 计算流程

离散元是一种预测散装固体(bulk solid)行为的数值技术。散装固体是一个大的固体颗粒的集合，又称颗粒流介质。颗粒介质流动在矿业工程的典型例子是矿石通过移动的采矿机械设备运输。颗粒流的运动模拟比较复杂，因为这些流动可能是固体，也可能是液体，或两种行为的组合。例如沙子在沙漏的行为像一个液体，而沙子本身存在固体的应力应变关系。如同PFC的工作机理一样，Rocky是一种无网格的方法，不求解连续体问题的运动方程。因此，不需要材料的应力应变关系，相反，通过DEM模拟后的结果可以输出应力应变关系。每个颗粒的运动方程都通过时间进行积分。已知的总力是接触力(颗粒与边界之间)和体力, 典型的体力是重力、液体，静电力、电磁力等。Rocky的计算流程如下：(1) 建立几何模型；(2) 选择物理模型；(3) 指定运动方式；(4) 设置材料参数；(5) 设置颗粒相互作用参数；(6) 产生颗粒几何尺寸; (7) 设置颗粒流动参数；(8) 设置求解参数；(9) 开始计算。