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积鼎制药行业流体仿真解决方案

积鼎制药行业流体仿真解决方案,依托多尺度离散模拟软件 DEMms 打造,专注制药颗粒与多相体系模拟。支持非球形、柔性异形等复杂颗粒处理,适配微观粉体至大型块状颗粒场景,覆盖粉碎、混合、灌装等核心工艺。为设备优化与工艺升级提供精准数据支撑,助力药企缩短研发周期、降低成本,是制药行业数字化转型的专业仿真方案。
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icon研发背景icon
 
超过 50% 的工业产品为颗粒类物质
颗粒的物理化学特性、流动行为及相互作用决定着产品质量、生产效率和设备运行稳定性。

颗粒体系工业设备模拟的挑战

颗粒行为精度不高
传统的宏观模型在预测颗粒体系的行为时精度不高,无法满足工业生产的精细化需求。
工业尺度颗粒模拟难度大
工业尺度颗粒模拟的挑战,如颗粒数巨大、模型复杂和多过程复杂颗粒的模拟都难度较大。
异构计算稳定性与效率
多尺度异构计算的机遇与挑战异构型结构和大规模并行计算的稳定性与效率问题。

 

icon离散元方法icon

离散元方法(Discrete Element Method, 简称 DEM)1971年,由Cundall博士提出了离散元方法,用于拟非连续介质动力力学及相关行为的数值计算方法Lagrange体系下的求解牛顿第二定律对体系内每个离散单元进行动力学模拟。

 

icon多尺度离散模拟软件DEMmsicon
面向颗粒、散料和多相体系大规模模拟软件
· 高效利用CPU、GPU等多种计算资源并实现大规模异构并行计算
· 适应复杂的颗粒物性与设备构体
· 耦合独特的颗粒粗粒化模型与流固耦合方法
· 能高效对接多种开源流动求解器
· 具备长时间或准实时模拟工业过程的能力
· 耦合流体仿真软件VirtualFlow (开发中)

 

icon应用领域icon

 

 

iconDEMms软件功能与优势icon
 
广泛的复杂颗粒物模拟
软件具备丰富的复杂体系处理功能。可处理 非球形和变形等复杂颗粒和设备构体。可精准模拟柔性、异形颗粒,从微观粉体到大型块状颗粒均适用,为多行业提供精准模拟依据,助于优化工艺与设备。

 

iconDEMms软件功能与优势icon

广泛的复杂颗粒物模拟:非规则颗粒建模方法。

 
非规则颗粒建模*超二次曲面方法
· 可生成球体、立方体等多样形态兼顾棱角与圆滑特征
· 仅需少量参数描述复杂颗粒,比多边形建模计算量更低
· 解析求解接触力,比球形模型更贴近真实颗粒相互作用
· 可支撑大规模颗粒模拟,平衡真实性与计算效率
iconDEMms软件功能与优势icon
 
 
大规模颗粒模拟能力
 
高效利用CPU、GPU等多种计算资源,
实现 万核以上 大规模异构并行计算,
计算颗粒数可 超十亿级,对应的物理颗粒数 超方亿级,
极大缩短计算时间,满足工业级大规模模拟需求。

>支持上万CPU核心并行计算,效率>45%
>支持GPU加速计算,每秒粒子更新数>10^8
>计算颗粒数>109,可处理物理颗粒数>10^14

 

iconDEMms软件功能与优势icon

多相系统多过程耦合
DEMms作为固相求解器,与其他方法/软件耦合计算 气固、液固、气液固 体系。

 
方法耦合
· 颗粒轨道法 (DPM)
· 有限体积法 (FVM)
· 格子玻尔兹曼法 (LBM)
· 浸入边界法 (IBM)
软件耦合
· VirtualFlow
· Fluent
· Solidworks
· OpenFOAM
iconDEMms软件功能与优势icon

多相系统多过程耦合
具备强大的多相系统多过程耦合模拟能力,自能同时模拟 传热、传质和反应 等多种复杂过程。

 

 

iconDEMms软件功能与优势icon

先进的算法优化- 基于介尺度结构的粗粒化

与传统粗粒化方法相比,DEMms 的 EMM-DPM 方法在保证精度的同时,极大减少计算量,提高计算效率。

 

 

iconDEMms软件功能与优势icon

先进的算法优化- 宽粒径分布优化

在处理宽粒径分布的颗粒体系时,采用多重网格搜索和多重通讯算法,能够优化计算过程,内存使用量 降低一个量级,计算速度 提升30%。

 

iconDEMms软件功能与优势icon

 

灵活的软件应用模式
自主知识产权与定制化
可根据用户特殊需求,提供颗粒作用与形状及多相流等专用功能定制,为用户提供更贴合实际应用场景的解决方案。

多软件接口支持
支持 VirtualFlow、Solidworks、ICEM、Paraview 等多种前后处理软件,方便用户进行模型构建、网格划分以及结果可视化操作。
icon与主流商软优势对比icon
 
 
建模精度 精确建模颗粒特征与作用
· 准确建模颗粒间 复杂碰撞作用
· 准确建模颗粒 运动特征

计算规模 大规模复杂颗粒模拟
· 计算颗粒数可超 十亿级
· 自研粗粒化模型:对应物理颗粒数 超方亿级

计算效率 万核以上异构并行计算
· 计算速度高于同类型主流商业软件 一个量级
· 典型体系的并行效率 高于50%

 

icon软件应用icon

 

 

iconDEMms应用 - 化工行业icon
 
 
在化工领域,DEMms 能精准剖析催化剂、
化工原料等颗粒材料的行为,探究它们与反应器、
输送装置间的相互作用机制,深度洞察不同反应及输送工况下,颗粒材料与设备的协同关系。

 

 

icon案例:气固流化床设计优化icon
气固循环流化床全回路模拟
DEMms采用GPU并行技术,动态均衡分配气相、固相计算载荷,大幅提高全回路计算多个复杂组件的适应度和能效性。
气固流化床设计优化模拟
DEMms采用GPU加速计算气固相间作用和反应、粗粒化方法加速计算颗粒间作用,大幅提高了离散模拟的时空尺度。

 

 

icon案例:DMTO反应器积碳全过程模拟icon

基于粗粒化技术和集总反应动力学模型对中试规模MTO反应器开展长时间、颗粒尺度的反应流模拟,可获得催化剂积碳完整过程,实现催化剂积碳分布调控。

 

 

icon案例:固定床反应器模拟icon

 

icon案例:滚筒搅混器优化icon

传统滚筒的轴向混合度差、能耗较高。采用DEMms模拟分析,对交错挡板位置设置进行多场景模拟,最终优化的结构增强了径向抛撒与轴向导流作用,改善了该设备的混合效果。

 

 

icon案例:旋风分离器 气液固三相模拟icon

 

icon案例:化工搅拌釜系统icon

 

 

icon案例:管道颗粒输送icon
 
采用DEMms计算气力输送固体高密度聚乙烯颗粒的管线阻力降,进行管道、风机的设计和选型,大幅提升效率、节约成本。
 
颗粒总数:6亿
粒径比:1-30
粗粒化:40倍
管道直径:230 mm
模拟时间:5 s
单张3080Ti计算时间:72 h

 

iconDEMms应用一采矿icon
 
采矿冶金过程中,DEMms 聚焦矿石、金属粉末等颗粒材料,解析其行为特性,评估它们对挖掘,筛分、冶炼设备的影响,明晰在开采、选矿、冶炼等多环节操作条件下,颗粒材料与设备的相互作用模式。
icon案例:高炉炉顶布料全尺寸模拟icon
 
· 炉料颗粒数超亿级
· 颗粒形状复杂
· 大颗粒粒径比:1-10
· 实时比:1/1000

借助DEMms的计算能力和Mole-8.5E超算系统的计算性能,实现了高炉炉顶布料过程的全尺寸模拟。高炉炉顶布料过程的模拟为加深操作人员理解溜槽的调控提供了详细的数据,为优化高炉炉顶布料提供支撑。

 

icon案例:竖式冷却设备显热回收优化icon
 
作为新技术,竖冷设备的设计缺少工程经验和标准,设备尺寸大目内部环境复杂,实验方法难度大、成本高、周期长。

采用DEMms软件模拟优化 进气、进料和设备结构,突破了工业竖冷设备模拟烧结矿石粒径分布宽、颗粒数多和换热时间长导致的巨大计算量问题。
(上海梅山钢铁)

 

icon案例:烧结工艺铁矿石分选优化icon
 
为了提高铁矿石的分选效果,提出了在接收斜板底部增加永磁铁,通过磁场增强铁矿石的偏析。

采用DEMms模拟优化反射板底部的磁场排布,有效调控烧结矿的偏析行为,提高烧结矿的分选效率。该技术已成功应用于宝钢的铁矿石分选过程。
 
iconDEMms应用一生物制药icon
 
 
生物制药时,借助 DEMms 可全面研究药粉、胶囊颗粒等的行为,分析其与混合、干燥、压片设备的相互作用情况,掌握药品生产各流程中,颗粒材料与设备的相互作用规律,保障药品质量。

 

icon案例:药物胶囊模拟icon

DEMms模拟胶囊形颗粒,获得长径比和密度分布对其混合行为的影响,为优化颗粒的混合过程提供支撑。

 

 

icon案例:制药药粉混合icon

Tote混合器广泛应用于制药行业,其轴向混合较弱,通过设置倾斜角,或优化内构件,以促进流动,增强混合。

 

 

iconDEMms应用 - 核电icon
 
核电产业里,DEMms 专注于核燃料颗粒、增殖体卵石等颗粒材
料,模拟它们在喷涂、反应堆运行、碎片床形成等过程中的行为,研究其与相关设备的相互作用,为核电安全稳定运行提供技术支撑。

 

icon流化床icon
 
干燥          实验型         顶喷
制粒          中试型         切向喷
包衣          生产型         底喷/urster
 
制粒:将粘结剂添加到流态化粉未产品中,形成比初始混合物更大的颗粒。目的是使颗粒均匀,具备最佳流动性和可压性。

包衣:基于受控颗粒运动,引导空白微丸通过喷液区,在微丸上均匀进行包衣同时进行干燥。

 

icon流化床--研究对象icon

研究内容
颗粒粒径密度预测:流化床内颗粒的粒径和密度是影响产品质量的关键因素。利用 CFD-DEM 技术可以模拟流化床内的流动状态,并结合数学模型对颗粒的密度和粒径进行实时修正,从而准确预测流化床内颗粒密度和粒径的分布状态。这种方法无需对实际运行流化床进行复杂的采样分析,节约了人力、物力及时间成本。

流化过程温度湿度预测:温度和湿度会直接影响颗粒的干燥效果和质量。

工艺放大参数调整 (进料速度、雾化空气压力、气体流量、喷枪位置):将实验规模的流化床工艺放大到工业生产规模时,需要调整多个参数以保证产品质量的一致性。通过模拟不同规模流化床内的流动状态,预测工艺参数的变化趋势。

关注对象及影响因素:
粒径分布:风量控制,流化高度,悬浮时间
颗粒粘连:风量控制、喷雾粒径
上药率:喷液速率与干燥速率的匹配、粘合剂浓度等
关键参数:
· 工艺风量
· 喷液速率和喷液压力
· 工艺空气进风湿度和温度

 

icon相似案例--雾化icon
 
喷射雾化程序开发
仿真成果:
喷射雾化程序开发

仿真技术优势:
· 高精度界面追踪两相流,适用于雾化过程中界面剧烈变形、破碎、聚并等现象
· 采用AMR自适应网格技术,提高计算效率及精度
· 针对雾化特性开发相关后处理程序,提高雾化后
处理效率

 

icon相似案例 -- 粮食烘干icon
 
移动式粮食烘干机干燥过程计算
多层结构导致稻谷表现出各向异性的干燥特性
干燥过程具有强烈的非线性特征,难以用简单
主流数学模型:
· 理论模型
· 半经验模型
· Logarithmic模型
· Wang and Singh模型
温度驱动的干燥动力学机制:
· 干燥速率常数与温度的关系
· 干燥活化能

 

icon相似案例--粮食烘干icon

颗粒/气相耦合换热仿真。

气相计算域
· 流场仅考虑烘干机筒体,省略内构件。基于Siemens NX建模软件和Fluent Meshing网格生成工具,完成流体计算域生成、网格划分等工作
· 网格规模:网格数量~100万
· 内部鼓状结构:流体域内部的Bafle壁面,多孔介质,模拟网眼的流速提升
入口条件:指定热风的温度和流量
出口条件:指定背压出口
颗粒温度场计算
颗粒规模:颗粒数量2亿个,粗粒化10倍,~100万。
流体-颗粒耦合:考虑颗粒和气流之间、颗粒-颗粒之间的热传导、热对流;
开发单谷粒干燥传热传质模型,给出在指定热流工况下水分散失的速度。
瞬态计算
采用OpenFOAM进行气相流场和颗粒温度场仿真设置型参数
计算资源:采用48核CPU+2*RTX 4090 GPU集群仿真,采用MPI+CUDA并行加速,CPU核心按区域分解,GPU负责颗粒运动与碰撞计算加速。
耗时估算:10分钟物理时间约24小时计算时间。

结果后处理
时间序列:指定测点处颗粒平均温度、含水率随时间的变化曲线;
颗粒特性分布:不同时刻颗粒温度场、含水率场的三维云图;
流场特性:空气通道流速矢量分布,压力分布
烘干速率和总烘干时间估算:根据流场流速和谷粒颗粒温度分布,通过温度分布进行温度分区,并根据不同温区计算不同位置处的干燥速率,进而估算整体烘干器的烘干速率和总烘干时间。

 

 

icon公司简介icon

国产流体仿真软件
上海积鼎信息科技有限公司成立于2008年,深耕CFD领域,自主开发的CFD软件包括:通用流体仿真软件VirtualFlow、多相流分析软件CFDPr。

CFD项目咨询
基于自主开发的CFD软件,提供专业的流体仿真项目咨询,涉及航空航天、海洋船舶、核能核电、石油化工、水务水利、应急管理、环境气象、汽车等领域。

CFD定制开发
基于自主研发或者开源的CFD模块,为用户提供集前处理、求解计算、后处理于一体的CFD定制开发服务。

 

 

icon产品&服务 - 整体解决方案icon

 

icon荣誉资质 - 知识产权icon

 

 

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