离散元软件EDEM模拟颗粒流动的基本流程

0.前言

我们在之前的文章中介绍过Fluent可以模拟颗粒流动的各种模型，参考文章：

九十、Fluent可以模拟颗粒流动吗？哪些模型可以用来模拟颗粒流动？

文章中提到过离散元软件EDEM也可以计算颗粒流动。本文就来详细介绍一些EDEM软件的适用性，并给出EDEM使用的一般流程。

文末附有EDEM软件资源、EDEM案例资源等。希望大家多多点赞、转发，鼓鼓励作者呀！！！！

     动图
   

1.Fluent和EDEM颗粒流计算的特点

Fluent和EDEM在模拟颗粒流动时各有侧重，需要根据自己的模型来选择合适的软件。

1.1 Fluent颗粒流适用场景

a流体-颗粒耦合

能够同时考虑流体的湍流效应和颗粒运动的动力学行为，适用于颗粒在流体中运动的详细研究。比如水流冲刷颗粒流动、管道输送、流化床反应器、气力输送等。

b化学反应与传热

颗粒与流体之间发生传热、传质以及化学反应过程。

上面的两点，EDEM都难以做到，除非耦合CFD软件才能实现，但Fluent可以直接将颗粒和流场、传热传质等直接耦合模拟。

c大规模颗粒流动

大规模颗粒流动分析，比如颗粒数较多，主要关注宏观颗粒行为，使用欧拉-拉格朗日或欧拉-欧拉模型处理颗粒群体。参考文章：四十二、Fluent欧拉模型流化床模拟

这一点虽然EDEM也可以模拟，但是由于EDEM一定是拉格朗日方法追踪颗粒，因此在颗粒数量较多的情况下，EDEM的计算量会大大增加。

1.2 EDEM 颗粒流适用场景

a颗粒主导的流动

采用离散元方法DEM模拟单个颗粒的运动、接触与碰撞行为。如料斗卸料、颗粒分级、粉体混合等。

可以看出，这种运动虽然也有流体参与，但流体对颗粒运动的影响较小，或者我们并不关心流体对颗粒运动的影响。比如料斗卸料是在空气中进行的，但空气的影响几乎可以忽略。

b颗粒力学模拟

可以精确描述颗粒间的碰撞、摩擦、粘附以及破碎等行为，适合颗粒与固体表面相互作用的研究。比如研究颗粒-颗粒及颗粒-壁面相互作用的场景

c颗粒多样性支持

支持不同形状、材料属性的颗粒，尤其在非球形颗粒研究中有优势。

2.选择合适的软件

2.1 颗粒数量多与少

EDEM：若颗粒数量较少（几千到几十万），关注微观力学行为，精确计算每个颗粒的运动及其与周围颗粒、壁面的相互作用

Fluent：若颗粒数量多（上百万到上亿），注重颗粒的整体行为和宏观分布，而不是单颗粒细节。

2.2 流体作用是否明显

EDEM：如果流体影响次要，仅需简单设置流体环境或背景场。专注于颗粒间相互作用（碰撞、摩擦、磨损等）

Fluent：如果流体与颗粒相互作用是研究的重点（如颗粒被气流携带），强调流体与颗粒的耦合作用，适合多相流模拟（气-固、液-固、气-液-固）

2.3 考虑计算资源

EDEM：计算需求高，随着颗粒数量和复杂度增加，计算量显著上升。适合高精度、小规模的颗粒行为研究。

Fluent：可通过简化颗粒模型降低计算量，例如使用欧拉-欧拉模型。更适合大规模、多相场问题的工业应用。

2.4 联合使用

一些复杂场景可以结合两者的优点

Fluent-EDEM耦合：Fluent用于模拟流体场，EDEM用于描述颗粒行为，通过耦合实现更精确的流固互动分析。如流化床反应器、颗粒悬浮输运等。

整理成表格如下：

3.EDEM操作的基本流程

相较于Fluent，EDEM基本流程比较简单，需要设置的东西也比较少。下面我们介绍一下EDEM的操作流程。

文末的资料包含：

一套EDEM的案例文件，包含9个案例

本文最后给出的后处理结果的案例文件

EDEM2021和EDEM2022软件安装包

3.1 EDEM界面

EDEM实际上包含了三部分内容，分别是模型参数设置、求解器设置和后处理。本文主要介绍第一部分，即模型参数设置，这也是EDEM最复杂的部分。

模型参数设置界面包含五个部分，分别是Bulk material颗粒材料、Equipment Material设备材料、Geometry几何模型、Physics物理模型、Environment计算环境

3.2 设置颗粒bulk material

a右击bulk material，添加颗粒材料

设置颗粒材料的属性，参数的具体设置含义需要进一步理解，这里不展开

b添加颗粒

右击刚创建的颗粒材料，添加颗粒。可选择不同的颗粒类型，如单颗粒，多颗粒等。

设置颗粒的位置及直径等

c设置颗粒的粒径分布

设置颗粒的粒径分布Size Distribution，有多种设置方式

d设置颗粒属性Properties

勾选自动计算即可

3.3 设置设备材料Equipment Material

右击，添加设备材料

设置设备材料的属性

3.4 导入几何模型

一般通过建模软件来构建模型，然后导入EDEM中。最好通过SC软件将各个面分离出来。

对于每部分几何模型需要设置三项。

a通用设置

单击几何模型的名称hopper，需要设置模型的类型Type和材料。这里的名称是建模时设置的，具体名称可能不同

Type：分为两类，第一类Physical，表示物理真实存在的。第二类Virtual虚拟的，表示实际上不存在的，一般主要用于释放颗粒。对于导入的模型，一般设置为Physical。材料即选择刚才设置的设备材料即可。

bMass、Transform和CAD Geometry设置

Mass、Transform和CAD Geometry基本上不需要设置

其中Transform详细设置如下

在模型的某部分下面点击Transform会弹出下面的设置。其中，Transform和下面的Rotation是相互排斥的，只能设置一个。下面详细说明Transform的设置。

• Position表示移动当前模型的位置，可以从x、y、z等坐标进行移动。如x设置为1000mm，则表示当前的模型沿x轴正方形移动1000m。可以看出，坐标原点也跟着移动了。

• Rotation表示当前部分模型的旋转，比如x方向的角度设置为π/2，则表示当前部分模型以x轴为对称轴，旋转90°。下面的Local Axis Rotation和这里的设置相同。可以看出，坐标轴也旋转了

• Local Origin Offset表示对坐标原点的偏移。如x设置为1000mm，则表示将坐标原点沿x轴移动1000mm。

c模型的运动情况

Motion：表示这部分模型的运动情况。需要根据实际模型的运动情况来设置。

右击几何模型部分，选择Add Motion，选择合适的运动。如选择Add linear rotation Kinematic，表示旋转运动

需要设置旋转时间、旋转速度和旋转轴

d设置颗粒工厂

设置颗粒工厂，用来添加颗粒

• 所谓颗粒工厂，就是颗粒从此处进入计算域。颗粒工厂是一个面，既可以是模型自带的面(在模型中画出来颗粒工厂的面)；也可以是EDEM软件创建的面。在EDEM中可以创建面。
• 颗粒工厂的面必须是虚拟的，否则添加不了颗粒工厂

在EDEM软件创建的面用作颗粒工厂。右击Geometries，Add Geometry选择Polygon

单击刚添加的Polygon，Type选择Virtual，用来添加颗粒。

单击Polygon，设置颗粒工厂的尺寸。

右击刚才添加的Polygon，选择添加颗粒工厂。

单击添加的颗粒工厂，设置颗粒的数量、质量及速度等

3.5 设置物理计算模型Physics

选择接触模型，简单说明各个模型的适用性

颗粒间的相互作用力（如碰撞力、摩擦力、粘附力等）是通过物理模型来描述的。常用的几种接触力学模型分别是Hertz-Mindlin、Hertz-Mindlin with JKR、Linear Cohesion 和 Bond 模型。这里只是简单的介绍几种，实际上还有很多模型。

aHertz-Mindlin 模型

仅考虑 弹性碰撞，适用于刚性颗粒，忽略了颗粒之间的粘附力。非线性的接触力计算，接触力与变形量（压缩量）呈二次关系。

适用场景：适用于刚性颗粒、没有粘附力的情况（如干燥粉体、颗粒流动等）。粒子形状接近球形，且颗粒之间的碰撞主要是弹性碰撞。

2. Hertz-Mindlin with JKR 模型

继承了 Hertz-Mindlin 模型的弹性碰撞特性。在颗粒接触的瞬间，除了弹性恢复力，还考虑了接触面间的粘附力，该粘附力与接触面积的大小成正比。对于颗粒之间的粘附力和粘滞力有更真实的描述，适用于颗粒之间具有表面力学性质（如粘附、表面张力等）的情况。

适用场景：适用于颗粒之间有粘附或表面力学效应（如粉末颗粒、湿颗粒等）。适用于颗粒间有较强粘附力的情形，常见于微米级颗粒或颗粒表面湿润的情况。

3. Linear Cohesion 模型

粘附力是线性的，即粘附力与颗粒之间的接触距离（或重叠量）成线性关系。适用于颗粒之间的粘结力较弱且线性变化的情况。

适用场景：适用于颗粒间的 弱粘结 力，例如某些颗粒表面有粘结物或微小的表面接触力，但不如 JKR 模型那样显著。常见于颗粒间的弱粘附力问题，尤其在颗粒的表面涂层、材料微观结构等方面。

4. Bond 模型

粘结力强，可以模拟颗粒之间的 化学键 或 物理接触，这种接触在颗粒被拉伸或剪切时会逐渐断裂。适用于描述颗粒间通过 可破坏的粘结力（如结晶、粘结物、界面层等）连接的情形

适用场景：适用于颗粒间有强烈的粘结作用（如粘土、湿颗粒、固体颗粒间的化学键合等）。常用于模拟颗粒合成、颗粒破裂、颗粒聚合或破坏等过程。

3.6 设置外部环境Environment

Domain：设置外部环境的区域。勾选Auto Update from Geometry则自动设置外部环境区域。

上面只是介绍了模型参数的设置，对于求解器和后处理都没有介绍。下面给出一个案例的实际后处理结果。案例文件附在文章最后，大家可以获取。

传输带运输颗粒的过程，还是很好看的

最后再给大家看两个EDEM经典的案例后处理结果

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EDEM案例：

https://pan.baidu.com/s/19RPfkNnE0glUEQvqVsLQFQ?pwd=c246 提取码: c246

本文后处理结果案例文件：

https://pan.baidu.com/s/1XJFivxh0wGgi0gjToXDIcA?pwd=89ry 提取码: 89ry

EDEM2021和EDEM2022软件安装包资源：

https://pan.baidu.com/s/1B3I6fpVRbIMYrZ0cITSIaw?pwd=tjfk 提取码: tjfk‍

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