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Step 11 球形颗粒模块 - 计算设置

4. 颗粒组别属性​

4.1. 属性管理​

功能：删除或增加当前颗粒属性设置

4.2. 材料力学参数​

4.2.1. 泊松系数​

参数含义：材料的横向变形能力，定义为横向应变与轴向应变的比值 取值范围：0.0～0.5 典型值：

  • 金属：0.25-0.35
  • 橡胶：约0.5
  • 本例：0.45（高弹性材料）

4.2.2. 颗粒间摩擦系数​

参数含义：颗粒-颗粒接触时的滑动摩擦系数 取值范围：0.0～1.0（通常） 典型值：

  • 光滑金属：0.1-0.2
  • 沙粒：0.5-0.7
  • 粗糙表面：>0.8

4.2.3. 壁面摩擦系数​

参数含义：颗粒-壁面接触时的滑动摩擦系数 设置建议：通常与颗粒间摩擦系数相似，但可根据壁面材料调整

4.2.4. 恢复系数​

参数含义：碰撞后与碰撞前相对速度的比值，表征碰撞的能量损失 取值范围：0.0～1.0

  • 0.0：完全塑性碰撞（无反弹）
  • 1.0：完全弹性碰撞（无能量损失）
  • 0.3：本例，表示70%的动能损失

4.2.5. 弹性模量​

参数含义：材料在弹性变形阶段的应力-应变比例系数 单位：帕斯卡（Pa） 典型值范围：

  • 橡胶：~10⁶ Pa
  • 塑料：~10⁹ Pa
  • 金属：~10¹¹ Pa 注：本例100000 Pa相对较小，对应较软材料

5. 颗粒间作用力模型​

5.1. 范德华力（Van der Waals Force）​

5.1.1. Hamaker常数​

参数含义：表征材料间范德华相互作用强度的常数 单位：焦耳（J） 典型值：

  • 金属：~10⁻¹⁹ J
  • 氧化物：~10⁻²⁰ J
  • 聚合物：~10⁻²¹ J

5.1.2. 最小距离​

参数含义：计算范德华力时的最小表面间距，防止数值奇点 单位：米（m） 典型值：10⁻⁹～10⁻⁷ m

5.2. 静电压力（Electrostatic Pressure）​

5.2.1. 真空介电常数​

参数含义：真空的介电常数 单位：法拉每米（F/m） 物理常数：ε₀ = 8.8541878128×10⁻¹² F/m

5.2.2. 相对介电常数​

参数含义：材料的介电常数相对于真空的倍数 单位：无量纲（但界面标为m⁻¹，可能有误） 典型值：

  • 空气：~1.0
  • 水：~80
  • 塑料：2-5

5.2.3. 德拜长度倒数​

参数含义：德拜长度的倒数，表征双电层厚度 单位：每米（m⁻¹） 物理意义：κ = 1/λ_D，λ_D为德拜长度

5.2.4. Zeta电位​

参数含义：颗粒滑动面的电势 单位：伏特（V） 典型值：-100 mV ～ +100 mV

5.2.5. 最小距离（静电）​

参数含义：计算静电力的最小表面间距

6. 平行粘结模型​

6.1. 模型启用​

功能：启用颗粒间的粘结作用，模拟粘性颗粒或团聚现象

6.2. 刚度参数​

6.2.1. 法向刚度​

参数含义：粘结在法向方向的刚度系数 单位：牛顿每米（N/m）

6.2.2. 切向刚度​

参数含义：粘结在切向方向的刚度系数 单位：牛顿每米（N/m）

6.2.3. 粘结面积系数​

参数含义：实际粘结面积与理论最大面积的比值 取值范围：0.0～1.0

6.2.4. 弯矩贡献系数​

参数含义：弯矩对粘结破坏的贡献权重 取值范围：0.0～1.0

6.2.5. 强度参数​

6.2.5.1. 最大法向应力​

参数含义：粘结能承受的最大法向应力 单位：帕斯卡（Pa）

6.2.5.2. 最大切向应力​

参数含义：粘结能承受的最大切向应力 单位：帕斯卡（Pa）

6.3. 颗粒结构类型​

功能：定义颗粒的内部结构

  • 实心结构：实心球体
  • 空心结构：中空球壳
  • 单层薄壳结构：极薄的球壳

6.4. 壁面穿透​

功能：控制颗粒是否可以穿透壁面边界

  • 不允许：严格边界，颗粒反弹
  • 允许：颗粒可穿过壁面（模拟出口或移除）

6.5. 耦合模式​

功能：选择DEM与CFD的耦合方式

  • 全解析：精确计算每个颗粒的流体受力
  • 未解析：使用经验关联式，计算快
  • 半解析：介于两者之间

7. 初始设置​

7.1. 时间控制参数​

7.1.1. 初始时间步​

参数含义：仿真开始的时间步长 单位：秒（s） 示例：4×10⁻⁶ s = 4 μs

7.1.2. 初始总步数​

参数含义：初始阶段的总计算步数 计算时长：总时间 = 5000 × 0.000004 = 0.02 s

7.1.3. 初始输出间隔​

参数含义：初始阶段每多少步输出一次结果 输出次数：5000/1000 = 5次输出

请注意，初始化计算过程中，会在相应结果文件目录（results\TDEM_Init）生成颗粒文件（Particle_list_xxx.txt），可以作为导入文件进行后续耦合计算，无需再次进行初始化。可参考Tutorial case：CFD-DEM-03-Water_Ball_Drop-Restart。

7.2. 壁面列表​

功能：已定义的壁面列表，可点击选择进行编辑

7.3. 壁面初始化​

7.3.1. 初始化-壁面名称​

功能：当前正在编辑的壁面名称

7.3.2. 初始化-壁面内一点​

参数含义：壁面上任意一点的坐标，用于定位壁面

7.3.3. 初始化-壁面法向​

参数含义：壁面的法线方向向量 示例：(1,0,0)表示法线沿x轴正向

7.3.4. 初始化-壁面穿透​

功能：初始阶段颗粒是否可以穿透该壁面

7.4. 时间步与输出控制​

时间步：表示运行一步CFD，需要运行几步DEM；例如20，则代表DEM时间步长是CFD时间步长的1/20。 输出控制：表示输出一次CFD的的结果，需要输出几次DEM的结果；例如20，则代表DEM输出时间间隔是CFD输出时间间隔的1/20。

7.5. 重力加速度​

参数含义：重力加速度向量 示例：(0,0,-9.8)表示z轴负方向（向下）有标准重力

8. 初始化伺服墙​

8.1. 时间控制参数​

功能：伺服墙初始化阶段的时间控制，与第7节类似但专门用于伺服墙

8.2. 壁面选择​

功能：

  • 使用初始化壁面：复选框，决定是否使用下面列表中的壁面
  • 壁面列表：可选择的壁面，可点击+添加新壁面
  • 删除当前项：删除选中的壁面

8.3. 伺服墙参数​

8.3.1. 壁面名称​

功能：伺服墙的名称标识

8.3.2. 壁面几何定义​

功能：与第7.3节相同，定义壁面位置和方向

8.3.3. 壁面穿透控制​

功能：控制伺服墙是否允许颗粒穿透

9. 伺服墙控制​

9.1. 压力控制​

9.1.1. 施加作用压力​

参数含义：伺服墙上施加的恒定压力 单位：帕斯卡（Pa）

9.1.2. 自定义作用压力​

功能：通过函数或表达式定义变化的压力

9.2. 运动控制​

9.2.1. 自定义壁面运动​

功能：定义壁面的运动规律（平动、旋转等）

9.2.2. 最大移动速度​

参数含义：伺服墙允许的最大运动速度 单位：米每秒（m/s）

9.2.3. 移动系数​

参数含义：实际移动速度与理论计算值的比例系数 物理意义：用于数值稳定性控制

9.2.4. 阻尼系数​

参数含义：伺服墙运动的阻尼系数，用于抑制振荡 设置建议：

  • 0.0：无阻尼，可能振荡
  • 0.5-0.7：临界阻尼附近
  • 1.0：过阻尼，响应慢

9.3. 面积控制​

9.3.1. 删除面积​

参数含义：从伺服墙中排除的面积（如孔洞、开口） 单位：平方米（m²）

9.4. 几何点定义​

功能：定义伺服墙的角点位置，用于非平面或复杂形状墙 说明：可能需要更多点来定义复杂几何

10. 配置流程与最佳实践​

10.1. 完整配置流程​

阶段1：基础设置​

  1. 定义颗粒属性（第4节）

    • 设置泊松系数、摩擦系数、恢复系数
    • 根据实际材料设置弹性模量

  2. 配置颗粒插入（第2-3节）

    • 选择插入模式（单颗粒/序列/文件导入）
    • 设置颗粒尺寸分布（阵列信息）
    • 配置循环生成参数（如需）

阶段2：相互作用模型​

  1. 启用必要作用力（第5节）

    • 对于微细颗粒：启用范德华力和静电力
    • 对于粘性颗粒：启用平行粘结模型

  2. 设置粘结参数（第6节）

    • 定义法向和切向刚度
    • 设置粘结强度和破坏准则

阶段3：边界与初始化​

  1. 定义壁面（第7-8节）

    • 创建必要的壁面几何
    • 设置壁面材料属性（摩擦系数等）

  2. 配置伺服墙（第9节）

    • 如果需要压力控制，设置伺服墙参数
    • 定义壁面运动规律（如需要）

阶段4：时间与输出控制​

  1. 设置时间步（第7节）
    • 根据颗粒尺寸和速度确定初始时间步
    • 设置总步数和输出间隔

10.2. 参数调试建议​

10.2.1. 时间步稳定性​

准则：颗粒在单个时间步内不会穿越一个网格

10.2.2. 粘结参数校准​

  1. 刚度匹配：粘结刚度应与颗粒材料刚度匹配
  2. 强度测试：通过简单压缩/拉伸测试校准粘结强度
  3. 阻尼调整：根据动态响应调整阻尼系数

10.2.3. 伺服墙控制优化​

  1. 缓慢启动：初始阶段使用较小的压力或速度
  2. 监控响应：观察壁面位移和压力变化
  3. 调整系数：根据稳定性调整移动系数和阻尼系数

11. 常见问题与解决方案​

11.1. 计算发散或不稳定​

可能原因：

  1. 时间步过大
  2. 材料参数不合理（如刚度过大）
  3. 接触算法参数不当

解决方案：

  1. 减小时间步（参考10.2.1节准则）
  2. 检查并调整材料参数
  3. 增加阻尼系数或使用软球模型

11.2. 颗粒穿透壁面​

可能原因：

  1. 时间步过大
  2. 壁面刚度设置不当
  3. 接触检测参数错误

解决方案：

  1. 减小时间步
  2. 检查壁面材料和接触参数
  3. 确保壁面穿透设置为"不允许"

11.3. 计算速度过慢​

可能原因：

  1. 颗粒数量过多
  2. 时间步过小
  3. 接触检测算法效率低

解决方案：

  1. 减少颗粒数量或使用周期性边界
  2. 在保证稳定性下增大时间步
  3. 优化网格尺寸（哈希格尺寸）

11.4. 粘结行为不符合预期​

可能原因：

  1. 粘结参数设置错误
  2. 时间步不匹配
  3. 接触检测不准确

解决方案：

  1. 通过简单测试校准粘结参数
  2. 确保时间步足够小以解析粘结变形
  3. 检查接触检测参数和网格

11.5. 伺服墙振荡​

可能原因：

  1. 阻尼系数过小
  2. 移动系数过大
  3. 时间步与伺服控制不匹配

解决方案：

  1. 增加阻尼系数（0.7-0.9）
  2. 减小移动系数
  3. 调整伺服控制更新时间步

12. 高级主题与扩展​

12.1. 多尺度耦合​

DEM可以与以下方法耦合：

  1. CFD-DEM耦合：颗粒与流体相互作用
  2. FEM-DEM耦合：颗粒与连续体结构相互作用
  3. 多物理场耦合：热、化学、电场的耦合

12.2. GPU加速优化​

对于大规模颗粒系统：

  1. 并行策略：空间分解、邻居列表优化
  2. 内存管理：数据布局优化、内存访问模式
  3. 算法优化：异步计算、内核融合

12.3. 统计分析与后处理​

  1. 宏观量提取：应力、应变、孔隙率
  2. 微结构分析：配位数、力链网络
  3. 动力学分析：扩散系数、速度分布

12.4. 实验验证与校准​

  1. 参数反演：通过实验数据反演模型参数
  2. 敏感性分析：识别关键参数及其影响
  3. 不确定性量化：考虑参数不确定性的影响