基于离散元仿真软件DEMms的双锥水力旋流器-颗粒分离性能分析

在多相流颗粒分离研究领域，精确模拟颗粒运动行为一直是技术攻关的核心难题。两段锥形水力旋流器作为关键分离设备，其底流管直径与入口速度对分离性能的影响机制复杂，亟需高精度模拟技术予以揭示。基于此，团队创新开发气-液-固三相湍流模拟方法（VOF - RSM - DEM），其中自主研发的 DEMms 软件，凭借独特的算法架构与模拟能力，成为攻克该难题的核心技术支撑。

 

创新算法架构，实现颗粒运动精准建模

DEMms 软件基于离散元法构建核心算法体系，深度融合牛顿第二定律与欧拉第二运动定律，为颗粒的平移与旋转运动提供精确的动力学描述。在颗粒与流体、颗粒与颗粒及壁面的交互过程中，软件通过多物理场耦合算法，实现对曳力、升力、碰撞力等复杂作用力的实时计算。

值得一提的是，软件引入的随机跟踪模型，采用拉格朗日随机轨道理论，能够准确捕捉瞬时湍流速度脉动对颗粒轨迹的影响，使模拟结果与实际工况的吻合度大幅提升。通过这种精细化的算法设计，DEMms 软件成功将颗粒运动模拟精度提升至新高度。

严谨验证流程，确保模拟结果可靠性

为验证 DEMms 软件在三相湍流模拟体系中的有效性，研究团队开展了系统性验证工作。

以标准旋流器为研究对象，通过网格无关性验证，确定了最优网格划分方案，有效避免因网格误差导致的模拟偏差。在与实验数据的对比中，软件模拟的切向速度、轴向速度与实际测量值呈现高度一致性，压降和液体分流比的相对误差控制在工程可接受范围内，分离效率曲线的拟合度也达到理想水平。

 

 

这种从算法设计到模拟验证的全流程技术把控，充分证明了 DEMms 软件在水力旋流器流体动力学行为及分离性能模拟方面的可靠性与准确性。

深度应用剖析，挖掘分离性能关键规律

依托 DEMms 软件构建的高精度模拟体系，研究人员对两段锥形水力旋流器展开深入研究。在流场特性分析中，软件能够精细解析不同入口速度和底流管直径工况下，切向速度分布的衰减规律、轴向速度的螺旋形态演变，以及气核直径的动态变化过程。在分离性能研究方面，通过对大量颗粒运动轨迹的统计分析，精确绘制分离效率曲线，量化切割尺寸与可能偏差等关键参数。

研究发现，底流管直径与进料流速之间存在显著的交互影响效应，这一重要结论正是基于 DEMms 软件对颗粒运动的高精度模拟与数据分析得出。

 

 

​技术拓展前景，赋能多领域研究创新

当前研究成果仅是DEMms软件技术应用的开端。随着VOF - RSM - DEM 双向耦合数值方法的持续优化，软件将在更复杂几何结构与操作参数的水力旋流器研究中发挥重要作用。其技术应用领域也将不断拓展。

在矿物加工中的细颗粒分级、煤炭开采中的固液分离、生物技术中的细胞分选，以及环境工程中的污染物去除等场景，DEMms 软件的高精度模拟能力有望为相关研究与工程实践提供全新的技术思路与解决方案。

积鼎离散元多尺度模拟软件DEMms

• 由中科院过程所开发，投入工程应用十余年，完成工业级项目近100项

• 可处理非球形和变形等复杂颗粒，以及多相传递反应耦合等复杂过程

• 可实现万核以上大规模异构并行计算，计算颗粒数可超十亿级，对应的物理颗粒数超万亿级

• 计算规模与并行效率显著高于同类型主流商业软件，具备长时间或准实时模拟多相流工业设备的能力