EDEM颗粒工厂设置经验小结

EDEM颗粒工厂设置经验小结

龚明海基科技

1．问题概述

EDEM中颗粒工厂设置是整个建模过程中比较复杂的一步，尤其是某些需要预填充一定颗粒的问题，如何合理、高效的生成所需要的颗粒显得非常重要。

在实际应用过程中，用户在生成初始颗粒时，经常遇见这么几种情况：

1）颗粒生成非常缓慢，需要花费极长的时间才能获得需要的颗粒数；

2）假死机，即一直停留在颗粒生成过程，无法进入时间步的计算；

3）结构体比较复杂，颗粒难以填充完全。

此外，常见的较难设置的颗粒工厂还包括复杂的颗粒粒径分布等。以下就这几种情况介绍设置颗粒工厂时的一些经验。

2．EDEM颗粒生成过程

EDEM颗粒工厂设置主要包括以下几个部分：Name（颗粒工厂名称）、Particle Generation （颗粒生成方式）和Parameters（颗粒参数）。

颗粒生成方式中包含dynamic（动态）与static（静态）生成方式，动态方式可以指定颗粒生成量：Unlimited Number（无限制）、Total Number（总数量）或Total Mass（总质量），同时还需指定Generation Rate（生成速率）：Target Number per second（期望每秒生成个数）或Target Mass（期望质量流量）；静态方式可以指定Full Section（完全填充）、Total Number（总个数）或Total Mass（总质量）。同时，无论何种生成方式，都需要设置Start Time(开始时间)，以及Max Attempts to Place Particle（放置颗粒的最大尝试次数）。

颗粒参数主要是设置颗粒进入计算域后的初始状态，包括Type（颗粒类型）、Size（粒径分布）、Position（位置分布）、V elocity（速度）、Orientation（方向）、Angular V elocity（角速度）

这六个变量。

关于以上设置的详细说明，可以参考EDEM帮助文档，或者相关的参考书籍，如武汉理工大学出版社，胡国明等编著的《颗粒系统的离散元素法分析仿真——离散元素法的工业应用与EDEM软件简介》，在此不再累述。

对于大部分问题来说，颗粒参数都可以直接确定，关键是选择合适的颗粒生成方式，而需要重点理解的一项设置则是“放置颗粒的最大尝试次数”（以下简称“最大次数”）。

“最大次数”在选择了随机排布颗粒生成位置时将会变成可设置状态，默认是20。当颗粒工厂在设定的范围内随机生成颗粒时，有可能会出现新生成的颗粒与原有颗粒发生重叠的情况，一旦发生重叠，新颗粒就会重新选择另一个位置，并再次判定是否重叠，直至找到不会发生重叠的位置，或者达到该“最大次数”。若达到“最大次数”，则EDEM将放弃生成此颗粒，并生成下一个颗粒，重复以上步骤。

理解了“最大次数”的意义，即是理解了EDEM生成颗粒时的计算过程，而其他设置都需要理解此计算过程进行合适的选择。

3．问题分析与设置经验

对于颗粒是处于持续加入和流出状态的过程，颗粒流量、速度、位置等通常都直接由工况确定，所以设置起来几乎不存在非常不合理的情况，也就不会出现前文所述的问题。容易出问题的一般是需要预置一定量颗粒的过程，在预置颗粒时参数设置不合理，导致得不到想要的初始状态颗粒。

此时，我们可以先明确一个步骤，就是将模拟工作分为两部分，第一部分是初始状态颗粒的生成工作，可称为“初始化阶段”；第二部分才是真正的计算工作，称为“模拟阶段”。

明确了这两步后，我们可以认为，在“初始化阶段”，只要能得到想要的初始态颗粒，任何模拟参数都可以修改，而不必要和“模拟阶段”的参数保持一致。而且在“初始化阶段”，任何运动的结构体都应该保持静止，防止运动带来不必要的影响。

按照这个原则，灵活的调整模拟参数，选取合适的颗粒工厂，就能够解决绝大多数的颗粒生成问题。

3.1．颗粒生成极为缓慢

动态生成颗粒时，常会出现颗粒生成极为缓慢的情况，最主要的原因就是颗粒工厂的范围相比于生成速率过小，或者说生成速率相比于颗粒工厂的范围过大。当颗粒工厂内已经存在许多颗粒时，新颗粒就会不停的寻找合适的位置，设置的生成速率越大，EDEM为了达到该速率，就会尝试添加非常多的新颗粒，而绝大多数的颗粒会因找不到合适的位置而无法生成。

那么，这种情况下，查找位置的计算将会消耗大量的资源和时间，进而导致颗粒生成极为缓慢，计算速度也大大降低。

这种情况可以通过EDEM的Solve Report直观的判断出。计算时，打开Solve Report，找到Factory部分，可以看到有一项数据为total particles regenerated，这表示EDEM尝试重新生成新颗粒的次数。此项数值越大，就说明生成新颗粒越难。

为了解决此问题，通常采用以下几种措施：

1）减小颗粒生成速率。

此时，EDEM不会花费大量的时间尝试添加难以生成的颗粒，生成所需要颗粒的时间将会延长。这也是我们所推荐的理念，即用时间较长的“初始化阶段”来“顺畅”的生成颗粒，而不是在时间很短的“初始化阶段”内“艰难”的生成颗粒。

例如，我们需要在某个颗粒工厂生成一万个颗粒，可以设计为用2秒时间以5000个/秒的速率生成，也可以设计为用0.5秒时间以20000个/秒的速率生成。当采用前一方案时，因为颗粒生成非常“顺畅”，不会花费大量时间寻找位置，所以实际花费的计算时间可能为5分钟；若采用后一方案，因为颗粒生成后“拥堵”在颗粒工厂中，后来的新颗粒难以找到生成位置，所以实际花费的计算时间可能需要半小时甚至更长。

2）增大颗粒工厂范围。

此方法一般来说不太好用，因为颗粒工厂的大小通常被实体结构的大小所限制，也被实际生成颗粒的位置所限制。

关于颗粒工厂，可以选择虚体或虚面。通常来说，两种选择并无本质区别，看起来范围较大的虚体未必就优于看起来更小的虚面。在生成较大量的颗粒和较密集的颗粒时，虚面往往会优于虚体，原因见下一点。

3）将生成颗粒尽快移出颗粒工厂范围。

此方法即相当于为新颗粒腾出空间，保证颗粒生成的流畅性，所以，通常将颗粒附上一定的初始速度，加快颗粒的移出。

当选择虚面作为颗粒工厂时，颗粒都可以较快的离开工厂范围；而用虚体时，表观上颗粒工厂是更大了，但颗粒离开虚体的时间也将变长，虚体的部分区域将一直被颗粒占据，而再生成新颗粒时并不会将这些区域排除在外。所以，虚体的效果实际上和虚面相当，但计算速度却有可能会更慢。

颗粒初始速度不宜过大，只要保证能较快的移出颗粒工厂即可。过大的初始速度会导致计算时间步长变小，反而不利于加快计算。另外，很多时候设置的初始速度方向会与重力方向相同，故颗粒进入后会进一步加速。此时可以在颗粒面板的最下面找到一个Particle Limits按钮，点击后可将颗粒的最大速度Capped为初始速度，保证速度不会进一步增大，如上图所示。但

是，请务必记住随后开始“模拟阶段”时将此限制去掉！

为颗粒设置初始速度所带来的一个负面作用是颗粒较难达到需要的静止状态。解决此问题可以考虑先将颗粒之间的碰撞恢复系数设为非常小的值以减小颗粒反弹，但也请务必记住在随后的“模拟阶段”时将此参数改回正确的值！

3.2．假死机状态

假死机状态通常发生在静态生成颗粒时，动态生成颗粒参数设置过于极端时也会有此现象。其原因基本相同，也是颗粒工厂中已经填充大量颗粒，新颗粒难以找到生成位置而耗费大量计算时间。动态生成时，颗粒通常都会逐渐运动出颗粒工厂范围；而静态生成因为没有进入时间步的计算，颗粒不会移动，故而一旦发生找不到位置又未达到所要求颗粒量的情况，EDEM 就无限停留在颗粒生成阶段，造成假死。

造成假死状态，大多都是我们过高的估计了颗粒工厂所能容纳的颗粒数量。现实中颗粒一般为散乱状态，所以我们也多会选择随机位置分布。而随机位置分布下，颗粒实际填充的体积分数接近0.4时，生成速率就会明显下降，达到0.5以后，就已经较难生成颗粒了。

处理此种情况的方法，就是扩大颗粒工厂范围。如前所述，颗粒工厂范围会受到很多限制，此方法不便实际操作。

因此，我们一般不推荐采用静态方式生成高填充率的颗粒，而是推荐采用动态方式填充，在“初始化阶段”填充所需颗粒再进行“模拟阶段”。

3.3．填充复杂结构体

对某些复杂结构，尤其是具有多处弯角的结构，如包含多个弯头的长管等，填充满结构体是非常困难的工作。静态的Full Section方式难以填充满，而且容易导致假死。动态方式难以填充到弯角部位，容易留出空隙。

对于这种情况，有三种方法可供尝试：

1）调整重力方向。

实际操作中，我们为了填充满某个复杂结构的容器，会将容器反复颠倒倾斜，使颗粒流到

死角上。模拟时，让结构体反复颠倒倾斜是非常不现实的，但是可以通过反复调整重力加速度的方向来达到相同的效果。同时，为了防止在某个重力方向上颗粒出现漏出的情况，可以临时的添加一些挡板结构。

2）分区域填充

此方法的主要思路就是将整个待填充区域按照特点分为多个部分，每个部分分别填充。为了配合此方法，常常也会添加临时性的挡板结构，保证已填充好的颗粒固定在其位置上。

3）推挤压实

此方法就是在添加一定的颗粒后用挡板推挤，将颗粒压到较难到达的部位。采用此法时，需要特别注意挡板的推动距离，防止出现过度挤压甚至颗粒“爆炸”。另外，建议将颗粒之间、颗粒与结构体之间的静摩擦和滚动摩擦系数改为非常小的值，以使颗粒更加易于推动。当然，还是请务必记住“模拟阶段”要将其改回正确的值！

以上三种方法，常常会混合使用，如分区域填充的同时，亦按照结构体特点不断调整重力方向，以加快填充进度。

3.4．复杂粒径分布

EDEM提供了固定粒径、平均分布、正态分布三种粒径分布方式，但真实物料往往具有自己的分布曲线，因此EDEM提供的粒径分布就无法满足需要。

现实中，我们为了获取某颗粒物料的粒径分布，采用的是筛分法。即将物料放入一组目数不同的筛板中，通过振荡使物料逐级漏过每个筛板，最后称取每个筛板上的物料重量，获得按粒径段的分布曲线。

EDEM获取复杂粒径分布的颗粒，亦可以采用与筛分法同样的思路，将整个粒径分布分为多个粒径段，而每个粒径段都可认为是均匀分布。所以，在EDEM中按照各个粒径段设置多个颗粒工厂，每个颗粒工厂生成某个特定粒径段的颗粒，最后便可获得所需要的粒径分布。

此外，还可以通过自定义颗粒工厂API定制任意的粒径分布，但这属于二次开发内容，暂不在本文讨论的范围内。

4．小结

总结整个颗粒工厂设置的经验，值得借鉴的主要有两点：

1）将初始态颗粒生成过程和真实的模拟过程分开。在“初始化阶段”，可以灵活的调整各种参数、增减各种几何体以达到所需要的结果，然后再调整回真实的参数进行“模拟阶段”。

2）保证颗粒工厂的生成空间。许多问题都是由于颗粒工厂已被颗粒大量占据，新颗粒无法找到生成位置而导致的。所以，合理的估计颗粒工厂所能容纳的颗粒数，通过各种措施使得颗粒尽快的离开颗粒工厂区域，是计算工作顺利进行的前提。

龚明Gong Ming

CAE工程师CAE Engineer

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