Barracuda与Fluent_EDEM的区别

Barracuda与Fluent多相流模拟能力对比

多相流模型：

由于模型的限制，在基于Fluent的多相流模拟中，人为地界定了密相流动和

稀相流动，即：以颗粒体积分数为指标，将小于10%的定义为稀相流动，10%以上

称之为密相流动。Fluent中的DPM适用于离散固体相体积分数小于10%（稀相流动）的情况，且该模型忽略颗粒间的相互作用，因此，DPM不适合模拟液-液混合、流化床及任何次级相体积分数不能忽略的问题。Mixture Model和Eulerian Model

用于解决颗粒浓度较大的多相流问题。其中，Mixture Model可以认为是Eulerian Model的简化版本。

使用Fluent模拟多相流现象，需要根据颗粒浓度、尺度及密度等，选择合适

的多相流模型。例如：特征尺度为1m、特征速度为10m/s的煤分级器中，颗粒尺

度在30微米和300微米时，对应的St数分别是0.04和4.0，很明显，Mixture Model就不适用于后一种情况；矿料输运模拟中，如果系统的特征尺度为0.2m、

特征速度为2.0m/s，这意味着对于颗粒尺度为300微米的矿料，St数约为0.005，

这时，可以选用Mixture Model和Eulerian Model，由于颗粒的体积分数太大而不

适合使用DPM。

可见，使用Fluent进行多相流模拟，在模型方面就受到了很大的限制。然而，真实的流化过程中，颗粒浓度通常有着很大的范围（即某些区域是密相流动，有些是稀相流动）。这使得我们仅用一种多相流模型对其进行模拟是不合适的。

Barracuda具有统一的多相流模型，并不需要界定所谓的“密相”和“稀相”

问题。因此，对于真实情况中颗粒浓度跨度较大的多相流动现象，Barracuda在模

型方面的优势是非常明显的。

计算效率：

Barracuda的计算速度是它的又一大优势。使用Fluent模拟多相流的用户都有

过这样的经历：即使经过简化选择了合适的多相流模型，在进行瞬态模拟时，还是

会遇到计算结果稳定性和收敛性等方面的问题。计算时间通常会持续数天到数周，加上调试参数，调整模型等工作，耗费的时间还要延长。

Barracuda基于CPFD技术，可以在合理的时间内获得有意义的准稳态计算结果。一般情况下，计算时间如下：

实验设备级别——> 若干小时

中试设备级别——> 一至两天

工业产品级别——> 一至两周

化学反应：

Fluent中的多相流模拟中，如果考虑化学反应，计算过程将更加的复杂，想在工程设计周期内获得有参考价值的计算结果几乎是不可能的。这主要是因为，Fluent中多相流模型，化学反应模型是相对独立，当用户在两者都关注时，仅是简单的将两种模型都选择上，这种方式类似于简单的叠加，而且，当选择多相流模型后，很多的化学反应模型是不可用的，这种兼容性问题严重的影响了Fluent在多相化学反应模拟领域的应用。

Barracuda在开发之初，就是以化工行业问题为研究对象，所以将化学反应动力学与流体及颗粒的动力学方程紧密耦合，因此，在求解包含了化学反应的多相流问题上也是得心应手。

Barracuda的核心原理是什么？

Barracuda是基于CPFD（Computational Particle Fluid Dynamics）数值方法开发的一款致力于工程流化问题模拟的商业软件包。该方法是由CPFD software公司的创始人之一Dale Snider博士发明，该方法在Eulerian –Lagrangian框架下，将颗粒和流体间的相互作用紧密耦合，能够更真实的模拟“颗粒 - 流体”系统。

CPFD是基于Eulerian – Lagrangian框架对颗粒体多相流进行模拟的。虽然通过颗粒体积分数的空间梯度，Eulerian – Eulerian模型可以模拟密集颗粒流附近的颗粒间应力，但若考虑到颗粒的类型和尺度分布，连续方程将异常复杂，因为需要对每

一种类型和尺度的固体相求解连续方程和动量方程。Eulerian – Lagrangian模型是一种求解颗粒多相流较为经济的方法，它考虑较宽范围的颗粒类型、尺度和速度等。尽管如此，对于颗粒体积分数较高的情况，颗粒间的碰撞频率极高，采用真正意义的Lagrangian方法计算碰撞也是不现实的。

CPFD技术借鉴了MP-PIC（multiphase particle-in-cell）方法，对颗粒相进行了双重处理方法，即颗粒既被视为是连续介质，也被视为是离散体。将颗粒应力梯度（在密集颗粒流中难于对每个颗粒进行计算）处理成流体网格上的梯度，然后插值到离散颗粒体上；而颗粒相的其他属性则在离散颗粒的位置处进行计算。CPFD定义了一种插值算子，这种算子计算速度高，且可以保证全局及局部的守恒。这样，CPFD方法消除了对高计算量的隐式解的依赖——网格上颗粒法相应力计算所需要的；更重要的是，颗粒相和流体相隐式的耦合起来，为设计人员提供一个鲁棒性优良的数值解。

Barracuda 与EDEM有何区别？

首先，二者的从发点不同。Barracuda来源于传统的CFD技术，是在模拟流动现象的基础上，将重点转移到含有固体颗粒的流体流动，即多相流动。EDEM所基于的离散元方法（DEM）诞生于岩土力学领域，属于固体力学的分支，主要是通过分析每个颗粒体细观受力状况，来描述整个颗粒体系的行为特征的，EDEM模拟多相流问题，主要是在颗粒相互作用的基础上，加入了和流体的相互作用（主要体现在质量、动量及能量交换）。

其次，EDEM模拟流化问题，是采用与Fluent耦合的方式，由于DEM是严格的满足Largangian框架，即每一个颗粒的属性都需要求解。因此，比较适合于颗粒数量较少的情况，如实验室的流化装置模拟。Barracuda可模拟工业量级的流化问题。

最后，在化学反应方面，Barracuda更具优势，因为Barracuda本身对化学反应就有足够的考虑，无论是理论基础及操作界面，都很可靠和便捷。而EDEM –Fluent耦合方案需要对Fluent的化学反应模型及EDEM中颗粒尺度变化进行设置（需要EDEM API功能），虽然可行，但需要对编程及数值算法有很深的理解，执行起来难度很大。