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什麼是平滑粒子流體動力學(SPH)與離散元法(DEM)?

在處理複雜的固體與流體相互作用問題時,平滑粒子流體動力學(SPH)與離散元法(DEM)是兩種強大的數值方法。這些技術幫助工程師模擬現實中許多具有挑戰性的情況,如自由表面流動、顆粒間碰撞等。本文將介紹這兩種方法的基本原理、差異以及它們如何協同工作解決實際工程問題。

什麼是平滑粒子流體動力學(SPH)?

SPH 是一種無網格計算方法,通常用來模擬流體的運動,特別是液體碰撞或波浪行為等問題。這種方法將流體分解為一組粒子,並透過粒子間的相互作用來描述流體的運動。

  • 無網格優勢:適用於高度變形或自由表面的流動模擬,無需固定的計算網格。
  • 精確捕捉流動動態:使用核函數計算流體變量,能有效避免擴散誤差,特別適合模擬波浪、噴濺等複雜現象。

什麼是離散元法(DEM)?

DEM 主要用來模擬顆粒物質的運動和碰撞行為。追蹤每個顆粒的運動,並計算顆粒間的接觸力,廣泛應用於顆粒流動、物料處理等領域。

  • 靈活的粒子形狀:除了簡單的圓形顆粒,DEM 還可以模擬多面體、纖維等實際物料形狀,這對於物料流動特性至關重要。
  • 精確的碰撞與接觸檢測:每個顆粒的運動都受到周圍顆粒的影響,能夠精確模擬顆粒間的相互作用。

SPH與DEM的結合:更精確的多物理場解決方案

當 SPH 和 DEM 結合使用時,能實現更精確的固體與流體交互作用模擬,提供更真實的物理行為預測。

  • 流體與固體交互作用:SPH 模擬流體的運動,而 DEM 模擬顆粒的碰撞和運動。兩者結合可以準確模擬液體中顆粒的運動及其力學行為。
  • 複雜粒子形狀與物料行為:兩種方法都支援更真實的粒子形狀模擬,有助於提升物料處理與流動過程的準確度。

防波堤設計(SPH-DEM耦合)

濕式研磨(SPH-DEM模擬)

SPH與DEM技術在固體與流體交互作用模擬中發揮了重要作用。不僅能精確處理複雜的物理行為,還能解決現實世界中許多工程挑戰。兩者的結合,能夠提升設計精度和工程效率,特別是在處理顆粒物料與流體動力學的應用中,這些技術無疑是一項重要的突破。

資料來源:ANSYS BLOG

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