DEMSLab 领先的颗粒系统仿真分析软件

      DEMSLab软件是DEMSLab公司开发出来的采用离散单元法(DEM)针对颗粒系统进行模拟的大型商用软件DEMSLab以领先世界的非球形离散单元技术为核心,致力于工业级的大规模颗粒体系的模拟。通过精确模拟设备内的复杂颗粒运动、传热、及颗粒-流体、颗粒-设备间的复杂作用,DEMSLab可帮助企业降低设备的能耗及损耗,提高设备的运行效率。DEMSLab软件包含前处理器、求解器及后处理器三大部分。前处理器可进行设备的复杂几何造型,颗粒生成器可根据该几何结构自动生成所需要的颗粒。求解器通过OpenMP技术进行了并行设计,可对10,000,000颗粒规模的球形及非球形颗粒体系进行动态模拟,支持复杂结构及运动(振动、旋转、移动等)边界条件、周期性(包含Lees-Edwards)边界条件等,具备用户自定义接口,支持用户自定义开发,可与常用商用及开源CFD软件(如Fluent等)进行双向耦合,以求解两相流动问题。后处理器采用Open GL编程技术设计,可实时显示颗粒体系的运动过程,同时可对任意时刻的微观受力情况进行分析。目前DEMSLab软件的版本号是2.1版。



2. DEMSLab软件主要应用领域
       DEMSLab软件主要应用在以下六大领域:
    (1)矿山和冶金
        矿石开采及冶金工程中的输送设备、破碎机、球磨机、自磨机、高炉布料装置等是决定着矿场及冶炼厂生产效率的核心装备。DEMSLab软件可以模拟这类装备的实际运行过程及其中的物料运动和破碎行为,以帮助产品开发工程师对这类装备进行优化设计及帮助工厂设备操作人员改进工艺流程及操作参数,提高设备的生产效率。
    (2)农业和食品
      农业和食品工业中的播种机、脱粒机、干燥机、混合器等设备是决定着农业和食品加工业生产效率的核心装备。DEMSLab软件可以模拟这类装备的实际运行过程及其中的种子及食品的运动行为,以帮助产品开发工程师对这类装备进行优化设计及帮助食品工厂设备操作人员改进工艺流程及操作参数,提高设备的运行效率。
    (3)过程工程及制药
      过程工程包括化工、能源领域中的大部分工艺流程,而能源与化工过程中普遍存在着大量的颗粒状物质,包括原料与产品。过程工程及制药工程中的气力输送装置、流化床、混合器、干燥机、包衣机等设备是决定着能源、化工、制药等过程工业生产效率的核心装备。DEMSLab软件可以模拟这类装备的实际运行过程及其中的颗粒状物料的运动行为,以帮助产品开发工程师对这类装备进行优化设计及帮助能源、化工、制药企业设备操作人员改进工艺流程及操作参数,提高设备的运行效率。
    (4)建筑设备与工程车辆
      水泥搅拌车、水泥泵车、推土机、挖掘机、自动倾卸卡车、掘进机等设备是建筑及工程运输中的核心装备。DEMSLab软件可以模拟这类装备的实际运行过程及其中的物料运动行为,以帮助产品开发工程师对这类装备进行优化设计及帮助设备操作人员改进工艺流程及操作参数,提高设备的生产效率及工程车辆的运行效率。
    (5)地质与环境
      泥石流、山体滑坡、风沙运动及沙漠化、隧道坍塌等是典型的地质灾害与环境灾害,严重地威胁着人类的生活及生产安全。DEMSLab软件可以模拟这类地质与环境过程,以增强人们对这类过程的认识,帮助人们控制及预防这类灾害的发生。
    (6)学术研究与教育
      颗粒物质是地球上仅次于液体和气体的第三类大量存在的物质,比如沙漠里的沙子、地球表面的土壤以及岩石等。在工业中,据统计有超过70%的原料和最终产品都是颗粒状物质。人们需要了解和掌握颗粒状物质的运动行为。DEMSLab软件可以模拟颗粒状物质的运动行为,可以帮助科学家和学生更好的理解颗粒的运动行为,增强对它们的认识。

3. DEMSLab软件技术特点
    (1)世界上最先进的非球形颗粒模型
      DEMSLab软件拥有世界上最先进的非球形颗粒模型构建功能,目前的版本支持以下几种颗粒模型:①球形(sphere)、②超椭球(Super-ellipsoid)、③组合球(Multi-sphere)、④组合超椭球(Multi- Super-ellipsoid)、⑤粘结球(Bonded-sphere)、⑥液滴(Droplet),通过上述颗粒模型可对世界上任意形状的颗粒进行较精确的描述。

      DEMSLab软件支持的颗粒模型
    (2)具备三大通用模块

      DEMSLab软件拥有以下三大模块:①前处理器、②求解器、③后处理器。

   3)支持通用CAD软件建模

      DEMSLab软件支持通用CAD软件(例如UG NX、Pro/E、SolidWorks CATIA等,其中推荐使用UG NX因为其可以在STL文件中区分设备中不同的部件)建模或者ANSYS Fluent的网格文件(可以由ANSYS Fluent的前处理器生成,比如ANSYS ICEM CFD或Gambit软件)。DEMSLab软件中设备几何文件(mesh文件)可以通过通用CAD软件输出的stl文件或ANSYS Fluent的网格文件(msh文件)进行转换并导入。

    (4)并行化求解
      DEMSLab软件采用OpenMP技术进行程序设计,可在拥有多核处理器的共享内存服务器或个人电脑上高效运行。DEMSLab软件可在一台具备16 GB内存的计算机上对10,000,000颗粒规模的球形及非球形颗粒体系进行动态模拟,其计算速度取决于计算机上处理器的总核数及时钟频率。
    (5)支持复杂边界运动
      DEMSLab软件支持复杂结构及运动(振动、旋转、移动等)边界条件、周期性(包含Lees-Edwards)边界条件等,也可以用户自定义边界的复杂运动。
    (6)支持用户自定义开发
      DEMSLab软件提供总数超过200个的API函数用于用户开发自定义函数(User C Functions)。通过User C Functions,用户可以自定义更为复杂的边界运动、接触力模型、颗粒参数、破碎模型、曳力模型等。
    (7)支持与其它CAE软件耦合求解
      通过User C Functions,DEMSLab软件可以与通用CFD软件(比如ANSYS Fluent)、FEM软件(比如ANSYS Structure)及MBD软件(比如Adams)进行耦合求解。
    (8)先进的后处理器
      后处理器采用Open GL编程技术设计,可快速高效地实时显示颗粒体系的运动过程,同时可对任意时刻的微观受力情况进行分析。
    (9)完善的帮助文档及大量的案例教程
      DEMSLab软件提供超过1000页的帮助文档及数十个实际的案例教程,用户可通过帮助文档和教程快速掌握DEMSLab软件的使用。

4. DEMSLab软件文件系统
      DEMSLab软件支持所建立工程文件的存取,其支持的文件类型说明如下:
    (1)data文件
      用于存储设备的几何结构、工程基本设置、每个颗粒的信息及除种子(seed)信息外的其它所有信息,是DEMSLab软件的最基本数据文件,为二进制文件格式。
    (2)seed文件
      用于存储种子(seed)信息的文件,用于颗粒的产生,为文本(ASCLL)文件格式。
    (3)mesh文件
      DEMSLab软件的设备几何文件(含网格划分),为文本(ASCLL)文件格式。
    (4)txt文件
      通用CAD软件(例如UG NX、Pro/E、SolidWorks CATIA等)建模输出的STL文件,即设备的几何文件,用于转换为DEMSLab软件的设备几何文件(mesh文件),为文本(ASCLL)文件格式。
      输出分析数据的文件,为文本(ASCLL)文件格式。
    (5)stl文件
      通用CAD软件(例如UG NX、Pro/E、SolidWorks CATIA等)建模输出的STL文件,用于DEMSLab软件的Matrix文件或颗粒的几何形状(外壳)文件,为文本(ASCLL)文件格式。
    (6)msh文件
      ANSYS Fluent的网格文件,用于转换为DEMSLab软件的设备几何文件(mesh文件),为文本(ASCLL)文件格式。
    (7)dll文件
      Microsoft Windows的动态链接库文件,为二进制文件格式。
    (8)bat文件
      Microsoft Windows的批处理文件,为文本(ASCLL)文件格式。
    (9)c文件
      标准C语言源文件,为文本(ASCLL)文件格式。
    (10)h文件
      标准C语言头文件,为文本(ASCLL)文件格式。
    (11)dat文件
      材料数据库文件,为二进制文件格式。
      材料间接触性质数据库文件,为二进制文件格式。
      监测数据输出文件,为文本(ASCLL)文件格式。
      能耗输出文件,为文本(ASCLL)文件格式。
    (12)part文件
      颗粒信息文件,为二进制文件格式。
    (13)plt文件
      颗粒信息文件,用于Tecplot软件读取,为文本(ASCLL)文件格式。
      设备信息文件,用于Tecplot软件读取,为文本(ASCLL)文件格式。
    (14)avi文件
      Microsoft Windows动画文件,为二进制文件格式。
    (15)fluent文件
      ANSYS Fluent的scheme语言文件,为文本(ASCLL)文件格式。

5. DEMSLab软件前处理
      DEMSLab前处理器主要包含以下几个部分:①设备几何结构构建、②颗粒几何模型构建、③材料及接触参数设置、④播种(颗粒生成)设置、⑤其它参数设置。
    (1)设备几何结构构建
      DEMSLab软件支持通用CAD软件(例如UG NX、Pro/E、SolidWorks CATIA等,其中推荐使用UG NX因为其可以在STL文件中区分设备中不同的部件)建模或者ANSYS Fluent的网格文件(可以由ANSYS Fluent的前处理器生成,比如ANSYS ICEM CFD或Gambit软件)。DEMSLab软件中设备几何文件(mesh文件)可以通过通用CAD软件输出的stl文件或ANSYS Fluent的网格文件(msh文件)进行转换并导入。

      通过通用CAD软件STL格式文件导入的设备几何结构
    (2)颗粒几何模型构建
DEMSLab软件目前的版本支持以下几种颗粒模型:①球形(sphere)、②超椭球(Super-ellipsoid)、③组合球(Multi-sphere)、④组合超椭球(Multi- Super-ellipsoid)、⑤粘结球(Bonded-sphere)、⑥液滴(Droplet)。DEMSLab软件提供图形界面交互式建模,通过上述颗粒模型可对世界上任意形状的颗粒进行较精确的描述。
    (3)材料及接触参数设置
DEMSLab软件提供常用的材料数据库及接触参数数据库,用户可以直接选择数据库中的材料及接触参数。如果数据库中没有用户所需的材料,用户也可以自定义材料及接触参数,并可以添加到数据库中。
    (4)播种(颗粒生成)设置
DEMSLab软件提供静态生成颗粒(一次性生成)和动态生成颗粒(在某时间段内连续生成)两种颗粒生成方式。特别值得说明的是,DEMSLab软件采用特有的技术,使颗粒生成过程中可以自动回避设备壁面占领的区域,只在非固体设备的区域生成颗粒。此外,用户还可以用过用户自定义接口(User C Functions)自定义特殊的颗粒生成方式,比如运动的播种机(seeder,也就是颗粒生成器)。
    (5)其它参数设置
其它参数设置包括问题的维数(2D或3D)、重力加速度、网格尺寸、计算区域、输出参数等一些基本参数的设置。DEMSLab软件提供图形界面方便用户进行上述参数的设置。

6. DEMSLab软件求解器
      DEMSLab软件采用OpenMP技术进行程序设计,可在拥有多核处理器的共享内存服务器或个人电脑上高效运行(计算机上可包含单块CPU或多块CPU,CPU可为多核CPU)。DEMSLab软件可在一台具备16 GB内存的计算机上对10,000,000颗粒规模的球形及非球形颗粒体系进行动态模拟,其计算速度取决于计算机上处理器的总核数及时钟频率。


      目前DEMSLab软件求解器可对通过以下颗粒模型建立的颗粒进行运算:①球形(sphere)、②超椭球(Super-ellipsoid)、③组合球(Multi-sphere)、④组合超椭球(Multi- Super-ellipsoid)、⑤粘结球(Bonded-sphere)、⑥液滴(Droplet)。每个工程中的颗粒可以只包含通过一种颗粒模型建立的颗粒,也可以是通过多种颗粒模型建立的颗粒,即可以将不同的颗粒模型混在一起使用。

 
      采用DEMSLab数值模拟中的多种颗粒形状

7. DEMSLab软件后处理器
      DEMSLab软件后处理器DEMSLab Viewer采用Open GL编程技术设计,可快速高效地实时显示颗粒体系的运动过程,同时可对任意时刻的颗粒尺度的运动及受力情况进行显示。DEMSLab软件后处理器主要可以显示以下几类信息:①颗粒、②矢量、③设备、④接触、⑤液滴、⑥其它(包括播种机、计算域、周期性边界等)。
DEMSLab Viewer显示的设备、颗粒及运动矢量
 
DEMSLab Viewer显示的颗粒间接触力
 
DEMSLab Viewer显示的颗粒、液滴及液滴运动矢量

      DEMSLab软件后处理还包括对数据的统计分析并进行图表输出,共包含4类图表:①柱状图、②线图、③点图、④饼图。
 
DEMSLab软件分析并显示的颗粒平均动能


      DEMSLab软件还可以将每个颗粒和设备的信息输出到具有一定数据格式的二进制文件或文本文件,提供给用户进行数据分析。DEMSLab软件还提供一些其它的常用分析功能,比如混合指数(用于评估颗粒材料的混合情况)。


8. DEMSLab软件用户自定义开发接口
      DEMSLab软件提供总数超过200个的API函数用于用户开发自定义函数(User C Functions)。
用户可以通过User C Functions自定义设备的特殊运动、颗粒或者液滴的性质、特殊的播种(颗粒生成)方式、新的接触力模型、新的内聚力模型、断裂模型、新的传热模型、质量传递模型等。
用户可以通过User C Functions对计算的数据进行调整(在每一个时间步)。
用户可以通过User C Functions将DEMSLab软件与通用CFD软件(比如ANSYS Fluent)、FEM软件(比如ANSYS Structure)及MBD软件(比如Adams)进行耦合求解。
 
通过DEMSLab软件的User C Functions实现颗粒的破碎模拟

9. DEMSLab软件DEM-CFD耦合
      DEMSLab软件支持DEM-CFD耦合求解。通过DEMSLab软件的DEM-CFD耦合API可以实现颗粒与流体间的单向(one-way)耦合和双向(two-way)耦合。DEMSLab软件采用一个动态链接库(DLL)与第三方的CFD软件(比如ANSYS Fluent软件)共享数据,通过两个信号量实现DEMSLab与第三方CFD软件之间的数据同步(采用双向耦合时适用,采用单向耦合时无需设置信号量进行数据同步)。
      DEMSLab软件免费提供ANSYS Fluent和DEMSLab之间的耦合源代码(源代码文件为. fluent_demslab fluent_demslab.c),用户可以直接采用该源代码进行ANSYS Fluent和DEMSLab之间的耦合。用户也可以学习如何采用动态链接库(DLL)与第三方的CFD软件共享数据以及采用信号量进行数据同步,并可以撰写DEMSLab与其它的第三方CFD软件之间的耦合求解代码。
      除采用软件本身所提供的曳力模型外,用户还可以通过User C Functions自定义颗粒与流体间的曳力模型。
      DEMSLab软件除支持球形颗粒与流体之间的双向(当然也包括单向)耦合外,还支持非球形颗粒与流体之间的双向(当然也包括单向)耦合,并具有很高的预测精度。
 
DEMSLab与Fluent耦合求解生物质流化床内生物质及床料的流化过程

10. DEMSLab软件系统要求
      DEMSLab对计算机硬件及软件的要求如下:
    (1)内存
      - 最低:1 GB
      - 推荐:8 GB或更多
    (2)处理器
      - 最低:任何Intel Core CPU、Intel Xeon CPU或AMD CPU
      - 推荐:Intel Core i5或更高、Intel Xeon E5或更高、AMD Ryzen 5或更高
    (3)图形卡
      - 最低:任何支持OpenGL的图形卡
      - 推荐:NVIDIA GeForce GTX 960或更高(或同档次的AMD芯片图形卡)
    (4)硬盘
      - 最低:5 GB
      - 推荐:512 GB或更大
    (5)操作系统
      - Windows 10 - 64 bit(推荐)
      - Windows 8.1 - 64 bit
      - Windows 8 - 64 bit
      - Windows Server 2016(推荐)
      - Windows Server 2012
      - Windows Server 2008 R2

11. DEMSLab软件帮助文档和使用教程
       DEMSLab软件提供超过1000页的帮助文档及数十个实际的案例教程,用户可通过帮助文档和教程快速掌握DEMSLab软件的使用。DEMSLab软件的帮助文档主要包括以下一些内容:
    (1)软件介绍
      主要介绍DEMSLab软件的技术特点及DEMSLab软件的文件系统,使用户对软件有个基本的了解。
    (2)实用案例教程
      主要包含24个实用案例教程,帮助用户一步一步地掌握软件的使用方法。24个案例的列表如下:
Tutorial 1. Introduction to Using DEMSLab: Mixing of Particles with Different Shapes in a Blender
Tutorial 2. Using Particle-Out-Shell Computation Type
Tutorial 3. Using Particle-In-Shell Computation Type
Tutorial 4. Using Super-ellipsoid Model
Tutorial 5. Using Multi-sphere Model
Tutorial 6. Using Bonded-spheres Model
Tutorial 7. Using Combined Model
Tutorial 8. Using Droplet Model
Tutorial 9. Using Two Dimensional Model
Tutorial 10. Using Periodic Boundary Condition
Tutorial 11. Using Lees-Edwards Boundary Condition
Tutorial 12. Using Unreal Shell
Tutorial 13. Modeling Van der Waals Force
Tutorial 14. Modeling Capillary Force
Tutorial 15. Modeling Heat Transfer
Tutorial 16. Modeling Wear of the Device
Tutorial 17. Modeling Transfer Chute Flow
Tutorial 18. Modeling Vibrating Screen
Tutorial 19. Modeling Screw Conveyor
Tutorial 20. Modeling Dilute Gas-solid Flow Using One-Way DEM-CFD Coupling Model
Tutorial 21. Modeling Unsteady Dilute Gas-solid Flow Using One-Way DEM-CFD Coupling Model
Tutorial 22. Modeling Dilute Gas-solid Flow Using Two-Way DEM-CFD Coupling Model
Tutorial 23. Modeling Dense Gas-solid Flow Using Two-Way DEM-CFD Coupling Model

Tutorial 24. Modeling Dense Gas-solid Flow in Rotating Equipment


    (3)GUI(图形用户界面)帮助
      主要包含71个图形用户界面窗口的帮助说明,帮助用户使用对应的图形窗口。71个图形用户界面窗口说明列表如下:
1. Analyze Data Dialog Box
2. Autosave Dialog Box
3. Body Define Dialog Box
4. Bonded Force Model Dialog Box
5. Bonded-sphere Dialog Box
6. Build Coupling Dynamic Link Library Dialog Box
7. Build User C Function Dialog Box
8. Calculation Dialog Box
9. Capillary Force Dialog Box
10. Cohesive Force Model Dialog Box
11. Color Map Dialog Box
12. Column Chart Dialog Box
13. Computational Field Dialog Box
14. Contact Angle Dialog Box
15. Contact Force Model Dialog Box
16. Contact Model Dialog Box
17. Contact Scalar Model Dialog Box
18. Cut Out Dialog Box
19. Delete Particles in Range Dialog Box
20. DEM-CFD Coupling Dialog Box
21. Display Options Dialog Box
22. Display Setting Dialog Box
23. Display Dialog Box
24. Droplet Dialog Box
25. Energy Loss Dialog Box
26. Energy Dialog Box
27. File Converting Dialog Box
28. Gravity Dialog Box
29. Inter-Material Setting Dialog Box
30. Lacey Mixing Index Dialog Box
31. Legend Dialog Box
32. Light Dialog Box
33. Line Chart Dialog Box
34. Line Define Dialog Box
35. Manage Inter-Material Dialog Box
36. Manage Materials Dialog Box
37. Material Setting Dialog Box
38. Matrix Manager Dialog Box
39. Mesh Parameters Dialog Box
40. Monitor Data Dialog Box
41. Multi-sphere Dialog Box
42. Multi-super-ellipsoid Dialog Box
43. Options Dialog Box
44. Parallel Setting Dialog Box
45. Particle-In Shell Dialog Box
46. Particle-Out Shell Dialog Box
47. Periodic Boundary Setting Dialog Box
48. Pie Chart Dialog Box
49. Plane Define Dialog Box
50. Point Define Dialog Box
51. Renumbering of Particles Dialog Box
52. Save Current View Dialog Box
53. Scatter Chart Dialog Box
54. Seeder Define Dialog Box
55. Semaphore Setting Dialog Box
56. Shell Dialog Box
57. Shellface Dialog Box
58. Space Dialog Box
59. Sphere Dialog Box
60. Super-ellipsoid Dialog Box
61. Time Resetting Dialog Box
62. Transient Data Dialog Box
63. Type Dialog Box
64. User C Function Hooks Dialog Box
65. User C Function Manager Dialog Box
66. User C Functions Dialog Box
67. User Defined Property Dialog Box
68. Van der Waals Force Dialog Box
69. Video Dialog Box
70. View Dialog Box

71. Wear Dialog Box


    (4)理论帮助
      主要对包含接触模型、内聚力模型、耦合模型等在内的7个DEMSLab软件所采用的理论模型进行说明,帮助用户了解离散单元法及DEMSLab软件的理论基础。7个理论模型的列表如下:
1. Contact Models
2. Hard Particle Model
3. Van der Waals Force Model
4. Capillary Force Model
5. Super-ellipsoid Model
6. CFD-DEM Coupling Model

7. Erosion Model

    (5)用户自定义函数(User C Function)手册
      DEMSLab软件提供总数超过200个的API函数用于用户开发自定义函数(User C Functions)。通过User C Functions,用户可以自定义更为复杂的边界运动、接触力模型、颗粒参数、破碎模型、曳力模型等。用户自定义函数(User C Function)手册的主要内容包括:
Chapter 1: Overview
Chapter 2: USER Macros
Chapter 3: Additional Macros
Chapter 4: Building User C Functions
Chapter 5: Hooking User C Functions to DEMSLab
Chapter 6: User C Function Examples
Appendix A. USER Macros
(6)DEM-CFD耦合API
主要介绍DEMSLab软件中DEM与CFD耦合的应用程序接口(API),主要包括以下几部分内容:
- Coupling Mechanism
- Data Structure
- A Sample: Coupling with ANSYS Fluent


    (7)版本信息

      主要介绍软件当前版本及历史版本中的历次版本说明。

附录:典型应用案例
1. Segregation of rod-like particles in 2D heap
 

2. Radial Segregation of particles in a thin tumbler
 

3. Behavior of long rods in tumbler
 
 
The evolution of the mixing degree

4. Fluidization of rod-like particles

 


Pressure drop of the fluidized bed vs. the superficial velocity

5. Biomass fluidized bed

 


 
Pressure drop of the fluidized bed vs. the superficial velocity

6. Simulation of coating process
 
 
Comparison of the experimental and simulation results of coating mass distribution

7. Erosion of tubes in fluidized bed

 

Comparison of experimental and simulation results of tube erosion in a fluidized bed


8. Erosion of elbow in pneumatic conveying
 

 
Comparison of experimental and simulation results of elbow erosion in a tube

9. Erosion of SAG mill
 
 

Comparison of experimental and simulation results of liner erosion in SAG mill


10. Numerical simulation of a screw conveyor

  

Cai et al. Powder Tech. (2018) under review


11. Numerical simulation of a belt conveyor

 

Cai et al. Powder Tech. (2018) under review

12. Numerical simulation of a wheel bucket excavator

 

 
13. Numerical simulation of tablets using multi-super-ellipsoid model

 



颗粒系统仿真技术交流QQ群:178717288


DEMSLab 视频教程、应用案例集:edu.yanfabu.com/course/explore/demslab


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