当前位置：首页 > ops >正文

从 CFD 到 DEM：积鼎流体仿真技术拓展与协同互补之路

ops 2025/9/3 22:37:42

在工程模拟技术的前沿领域，积鼎科技凭借对市场趋势的敏锐洞察和对技术创新的不懈追求，从专注 CFD 软件逐步拓展到 DEM 软件领域，实现了两种技术的有机融合与互补。这一战略布局不仅顺应了行业发展需求，更为解决复杂工程问题提供了更强大的工具。

一、CFD 与 DEM 概念解析及适用领域

CFD 作为计算流体动力学的核心技术，通过离散化求解纳维 - 斯托克斯方程，在模拟流体流动、传热及化学反应等方面表现卓越。在航空航天领域，CFD 能够精准模拟飞行器周围的气流，助力优化外形设计，降低空气阻力，提升飞行性能；在汽车工业中，它可以模拟发动机内的燃烧过程，提高燃油效率。然而，CFD 并非万能，尤其在处理颗粒体系时存在明显短板。当面对高浓度颗粒 - 流体两相流，如矿石研磨、气力输送等场景，CFD 将颗粒相视为连续介质的简化处理方式，难以捕捉颗粒间复杂的相互作用，对颗粒运动轨迹和碰撞行为的模拟精度大打折扣。而且，对于复杂形状和特殊性质的颗粒，CFD 在网格生成和特性考虑上困难重重，容易引入数值误差。

与 CFD 不同，DEM 专注于颗粒材料行为模拟。它把每个颗粒当作离散个体，跟踪其位置、速度和旋转状态，通过一系列力定律模拟颗粒间的相互作用。在建筑行业的混凝土搅拌过程模拟中，DEM 能精确考虑水泥颗粒与骨料的形状、性质差异，优化搅拌工艺，提升混凝土质量；在粮仓谷物存储模拟里，它可预测谷物堆积形状和密度分布，保障存储稳定高效。DEM 在处理复杂颗粒特性和相互作用方面的独特优势，恰好弥补了 CFD 的不足。

二、DEM 的独特优势

（一）精确描述颗粒个体行为

DEM 最大的优势之一在于能够精确描述每个颗粒的个体行为。它可以详细跟踪每个颗粒的位置、速度和旋转状态随时间的变化。在模拟颗粒流动过程时，DEM 能够清晰展现颗粒的运动轨迹，以及颗粒之间的碰撞、摩擦和堆积等现象。以粮仓中谷物颗粒的存储为例，DEM 可以模拟谷物在仓内的填充过程，预测谷物堆积的形状和密度分布，帮助优化粮仓的设计，确保存储的稳定性和高效性。这种对颗粒个体行为的精确模拟，是 CFD 难以企及的。

（二）处理复杂颗粒特性和相互作用

DEM 能够轻松应对复杂形状和具有特殊性质的颗粒。通过定义合适的颗粒形状模型和相互作用参数，DEM 可以准确模拟不同形状颗粒的运动和相互作用。对于具有粘性的颗粒，DEM 可以设置相应的粘性力模型，模拟颗粒之间因粘性而产生的团聚现象。如在建筑行业的混凝土搅拌过程模拟中，DEM 能够考虑到水泥颗粒、骨料等不同形状和性质的颗粒之间的相互作用，优化搅拌工艺，提高混凝土的质量。此外，DEM 还能模拟颗粒与固体壁面之间复杂的相互作用，为设备的磨损分析提供依据。

三、DEM软件的实际应用场景

（一）化工行业：流化床反应器的模拟

在化工生产的流化床反应器内，气固两相的流动与反应过程极为复杂。CFD 可以模拟流体在反应器内的整体流动模式，分析反应器内的温度和浓度分布，对于优化反应器的宏观性能有一定帮助。然而，对于反应器内催化剂颗粒的运动和分布情况，CFD 的模拟结果不够精确。催化剂颗粒在气流作用下的流化状态，直接影响着反应效率和催化剂的使用寿命。

DEM 可以详细模拟催化剂颗粒在气流中的运动轨迹、颗粒间的碰撞与摩擦，以及颗粒与反应器壁面的相互作用，预测颗粒的磨损情况以及颗粒与流体之间的传热传质效率。通过 DEM 模拟，能够为流化床反应器的结构设计和操作参数优化提供更准确的依据，提高反应器的运行稳定性和生产效率。

基于离散模拟软件DEMms的气固流化床设计优化模拟

（二）冶金行业：高炉炼铁过程分析

在冶金行业的高炉炼铁过程中，涉及到炉料（铁矿石、焦炭等颗粒）与高温气流的相互作用。CFD 可以对高炉内的气流分布、温度场进行模拟，帮助工程师了解高炉内的宏观热工状态。但高炉内炉料颗粒的运动、堆积和还原反应过程十分复杂，CFD 难以精确描述。

DEM 能够将炉料颗粒视为离散个体，考虑颗粒的大小、形状、密度以及颗粒间的摩擦力、碰撞力，还有高温下颗粒的物理化学变化。通过 DEM 模拟，可以清晰展现炉料颗粒在高炉内的下降过程、分布情况，以及颗粒与气流的相互作用对还原反应的影响，为优化高炉布料制度、提高铁水质量和产量提供关键数据支持。

基于离散模拟软件DEMms的高炉炉顶布料模拟

（三）制药行业：药物颗粒混合与制剂工艺

在制药行业中，药物颗粒的混合均匀度直接影响药品质量。CFD 在模拟药物颗粒混合过程中，通常将颗粒相简化处理，难以准确反映颗粒间复杂的相互作用。

而 DEM 可以针对不同形状、大小和性质的药物颗粒，设定精确的相互作用参数。在模拟药物颗粒在混合器中的混合过程时，DEM 能够详细跟踪每个颗粒的运动轨迹，分析颗粒的团聚与分散行为，预测混合时间和混合效果。此外，在制剂工艺中，如压片过程中颗粒的压实和成型，DEM 也能模拟颗粒在压力作用下的变形、位移和相互作用，帮助优化制剂工艺参数，确保药品的质量和稳定性。