RockyDEM

Эффективный инструмент для моделирования динамики и теплообмена сыпучих сред, оболочечных материалов и различных волокон методом дискретных элементов (DEM).

RockyDEM выделяется на фоне аналогичных программных продуктов рядом полезных возможностей: произвольные формы частиц, сверхпроизводительные вычисления на нескольких видеокартах, продвинутые модели разрушения частиц, поверхностного износа и адгезии, простая и эффективная работа с движением геометрии. За счет интеграции Rocky DEM и Ansys Workbench расчет поведения частиц можно выполнять с учетом аспектов механики деформируемого твердого тела, вычислительной гидрогазодинамики и теплообмена.

Разработчики позиционируют Rocky DEM как программу, применимую в таких областях промышленности, как горное дело, металлургия, нефтехимия, станкостроение, транспорт, сельское хозяйство, медицина и бытовая техника.

Rocky DEM позволяет повысить энергоэффективность, увеличить срок службы, минимизировать износ и снизить шум от оборудования. Также он используется для обеспечения равномерности загрузки, минимизации зависания и пылевыделения из материалов.

Произвольные формы частиц

В Rocky DEM в качестве отслеживаемых частиц можно моделировать волокна, оболочки и твёрдые тела произвольной формы.

Каждая несферическая частица в Rocky DEM состоит из набора элементов, которые участвуют в моделировании. При расчёте столкновений частица-частица и частица-стенка учитывается форма частиц и место контакта.

Также для многих частиц доступны модели разрушения и растяжения/сжатия.

Моделируемые частицы в Rocky DEM

Калибровочные испытания материалов

При моделировании сыпучих сред методом дискретных элементов (DEM) необходимо точно знать свойства используемых материалов, такие как, например, коэффициенты трения и восстановления.

Rocky DEM и набор Calibration Suite позволяют быстро и точно откалибровать задаваемые свойства, путём проведения нескольких расчётов при различных комбинациях свойств материалов и сопоставления результатов с экспериментальными или табличными данными.

В Rocky DEM можно воспроизвести испытания в реометрах, сдвиговых ячейках, а также в различных устройствах для определения углов откоса материалов.

Воспроизведение испытаний на порошковом реометре (слева) и расчёт угла откоса материала (справа)

Модели разрушения частиц

В Rocky DEM существуют два метода моделирования процесса разрушения. Первый подход заключается в физическом моделировании процесса разлома, включая напряжения и распространение трещин внутри каждой частицы. Второй подход заключается в принятии определенных предположений и использовании эмпирических и вероятностных отношений для моделирования процесса мгновенного дробления частицы.

Уникальная способность Rocky моделировать выпуклые многогранные частицы произвольной формы позволяет ей сохранять как массу, так и объем в процессах разрушения, обеспечивая повышенную точность по сравнению с другими коммерческими кодами DEM.

Также при слишком большом количестве частиц и больших отрезках времени моделирования можно вместо расчёта разрушения частиц на осколки моделировать вероятность их разбиения за счёт накопленной кумулятивной энергии столкновений со стенками или другими частицами (Energy Spectra Method).

Моделирование мгновенного дробления (слева) и разлома частицы (справа)

Моделирование износа поверхности

Rocky DEM способен моделировать абразивный износ поверхностей. Применяемая модель Арчарда позволяет моделировать износ в ускоренном теме. Так, можно смоделировать лишь несколько минут работы оборудования и это будет подобно нескольким месяцам реальной работы оборудования. Возможно либо только раскрашивать поверхности по интенсивности износа, либо реально деформировать поверхности с течением времени.

Ускоренный износ лифтёров в шаровой мельнице

Связь с Ansys Workbench

Rocky DEM можно использовать как отдельную от платформы Ansys программу для чистых DEM расчётов, а также можно использовать в рамках расчетной среды ANSYS Workbench. Адаптивная архитектура позволяет пользователю выполнять параметризацию геометрии, создавать интерфейсы с модулями Mechanical или Fluent для прочностных и газодинамических расчётов, а также выполнять оптимизационные расчёты в связке с DesignXplorer.

Связь с Ansys Fluent

В случаях, когда на движение частиц сильно влияет поток, моделирования только лишь движения частиц методом DEM недостаточно. В таком случае требуется сопряжение с программой Ansys Fluent. Существует два типа сопряжения: одностороннее и двустороннее. В первом случае, когда объёмная доля частиц мала (менее 10%), частицы будут оказывать слабое влияние на поток, и поле потока можно посчитать всего один раз и на его основе моделировать движение частиц. Это одностороннее взаимодействие. Во втором случае, когда объёмная доля частиц выше 10%, требуется после каждого малого перемещения частиц пересчитывать поле потока. Это двустороннее взаимодействие.

Поток воздействует на частицу с помощью силы аэродинамического сопротивления. В Rocky DEM реализованы законы сопротивления, учитывающие несферичность частиц произвольной формы, а также ориентацию и несферичность продолговатых частиц.

Эрозионный износ трубопровода твёрдыми частицами, одностороннее сопряжение поток-частицы (слева); кипящий слой, двустороннее сопряжение поток-частицы (справа)

Связь с Ansys Mechanical

Можно передать нагрузки от сыпучих сред, рассчитанные в Rocky DEM, в ANSYS Mechanical для анализа прочностной надёжности, а также оценки статических, динамических, усталостных и гармонических характеристик оборудования.

Здесь также существует одностороннее и двустороннее сопряжение частицы-твёрдое тело. Если сила, действующая со стороны сыпучих материалов постоянна, то это одностороннее сопряжение. Потребуется всего один расчёт в Rocky DEM и Mechanical. Если же сила переменная (геометрия или среда движется), то потребуется двустороннее сопряжение с многократным пересчётом в обоих модулях.

Расчёт деформации контейнера при статическом нагружении, одностороннее сопряжение частицы-твёрдое тело (слева); расчёт нагрузок на ковшовое колесо, двустороннее сопряжение частицы-твёрдое тело (справа)

Производительность вычислений

Сложность вычислений в Rocky DEM зависит от количества частиц, числа вершин на каждой частице, а также от числа соударений.

В Rocky DEM возможны параллельные вычисления на CPU, либо на GPU, если требуется большой объём памяти. Отличительной особенностью Rocky DEM является возможность использования нескольких видеокарт одновременно.

Возможен двусторонний CFD-DEM расчёт, где Fluent использует ядра, а Rocky DEM – видеокарты.

На рисунке показано, во сколько раз ускоряется расчёт коммерческого аппарата для дражирования таблеток, в котром 242,000 частиц сложной формы, причём на каждой по 222 вершин

Ускорение расчёта Rocky DEM в зависимости от используемых расчётных мощностей

Кастомизация решателя и рабочего процесса

Подобно UDF во Fluent, в Rocky DEM существует Application Programming Interface (API), в котором можно программировать решатель на языке C++. Данная система работает как для CPU, так и для GPU для систем Windows и Linux.

Программирование решателя Rocky DEM на языке C++

Также в Rocky DEM есть средства для оптимизации всего рабочего процесса и более эффективной работы с пользовательским интерфейсом. Для этого используются скрипты на языке Python и встроенные макросы.

Окно для создания макросов (слева) и интерфейс Python (справа)

Продвинутая пост-обработка

В Rocky DEM реализована очень эффективная и удобная пост-обработка штатными средствами. Помимо стандартного раскрашивания частиц по основным величинам, возможно раскрасить грани каждой частицы по значению специальных величин, а также доступно отображение усредённой по объёму эйлеровой статистики.

Результаты расчёта всех временных шагов сохраняются в трёхмерном виде в рамках одного проекта. Таким образом, можно создавать анимации с различных ракурсов для различных величин без необходимости пересчёта решения.