DEM-CFD連成とは？仕組み・活用事例・ソフトの選び方まで解説します！

DEM-CFD連成とは

DEM-CFD連成とは、離散要素法（DEM: Discrete Element Method） と 数値流体力学（CFD: Computational Fluid Dynamics） を組み合わせ、 粒子と流体の挙動を同時に解析する計算手法です。

DEMでは、粒子一つひとつの運動を追跡し、粒子間の接触・変形・摩擦・付着といった現象を計算できます。 一方、CFDでは、流れ場を連続体として流体の流速、圧力、温度、濃度などを解析します。 しかしDEM単体では、粒子が流体から受ける抗力や浮力の影響を精密には評価できません。 また、CFD単体では、個々の粒子の衝突や付着といった挙動を精度良く扱うことが困難です。

そこでDEMとCFDを連成させることで、

• 流体が粒子へ与える力（抗力、浮力など）
• 粒子が流体へ与える影響（流路・流速変化、圧力損失など）

を相互にやり取りしながら計算できるようになり、粒子と流体が複雑に絡み合う現象を、より現実に近い形で再現・評価することが可能となります。

DEMとCFDが担当する計算

DEM-CFD連成の仕組み

ThreeParticle/CAEの連成解析では、粒子と流体を同一時間ステップで計算し、それぞれの結果を逐次反映します。

DEMからCFDへは、粒子の位置、速度、形状などの情報が受け渡されます。 CFDでは、これらの情報をもとに、粒子間を流れる流体の流れ場を計算します。

一方、CFDからDEMへは、流体の圧力、粘性力、浮力などの流体力が作用します。 DEMでは、これらを外力として考慮しながら、粒子同士の衝突、摩擦、接触力、付着・凝集力を計算し、 各粒子の並進・回転運動を解きます。

このような情報交換を時間ステップごとに繰り返すことで、粒子と流体が相互作用する複雑な現象を高精度に再現します。

一方向連成と双方向連成の違い

DEM-CFD連成の活用事例

DEM-CFD連成解析は、粉体・粒状体と液体・気体が相互作用する工程で広く利用されています。 実験では観察が難しい装置内部の流れや粒子の挙動について、解析で得られる速度分布や圧力分布、粒子濃度分布から、 粒子の滞留、堆積位置、閉塞の要因などを可視化できる点が大きな特長となります。

DEM-CFD連成ソフトの選び方

DEM-CFD連成ソフトを選定する際は、連成解析機能の有無だけでなく、対象となる物理現象を適切に再現できること、 ならびに解析から結果評価まで効率的に運用できることが重要です。

• ① 対象となる物理現象
  解析対象に含まれる物理現象を考慮できるか確認します。
• ② 粒子形状
  球形、非球形、複合形状、繊維状、実形状データの取り込みに対応しているか確認します。
• ③ 粉体のモデル化
  接触力、摩擦、付着・凝集力、摩耗、破砕など、粉体解析に必要なモデルが利用できるか確認します。
• ④ 流体のモデル化
  気体や液体の流れ、自由表面流れ、高粘性流体、対流熱伝達など、対象に含まれる流体現象に対応しているか確認します。
• ⑤ 連成方式
  粒子濃度や流体への影響を考慮し、一方向連成または双方向連成を選択します。
• ⑥ 計算規模
  想定する粒子数や計算領域に対し、CPU・GPU・並列計算性能およびメモリ使用量が適切か確認します。
• ⑦ 運用性
  解析条件の設定、結果の可視化、解析モデルの再利用などを効率的に行えるか確認します。

ThreeParticle/CAEが適するケース

ThreeParticle/CAEは、DEMを中心に、複雑な粒子の形状、構造解析との連成、機構との連動、流体との相互作用を統合的に解析したい方に適しています。 粉体・流体・構造・機構との相互作用を考慮した連成解析を一つの環境で実施できるため、解析条件の設定から計算実行、結果評価まで効率的に進めることができます。

特に、粉体搬送、混合、スラリー輸送、洗浄、錠剤コーティングをはじめとした、農業、金属、化学、素材、食品、化学、製造など様々な分野で活用されており、 粒子と流体が相互に作用する工程において、実験では把握が難しい内部の流れや粒子分布を可視化し、装置の設計や運転条件の最適化に役立てられています。