CPFD软件公司是由DaleSnider博士和KenWilliams博士共同创立，他们从事CFD研究30多年，在多相流模拟方面有着丰富的经验。Dale博士首先提出了计算颗粒流体力学(ComputationalParticleFluidDynamics，简称CPFD)数值方法。Barracuda是该公司的旗舰产品，它以CPFD技术为核心，为工业界模拟大规模颗粒流体系统提供了崭新的解决方案。CPFD软件公司位于美国新墨西哥州阿尔伯克基市，其技术团队及专家库涵盖了数值方法、高性能计算和化学反应和过程处理等方面的优秀人才。CPFD公司凭借它独特的技术成为全球流化过程模拟方面的先驱。

目前，Barracuda软件已经被化工、石化、能源和冶金等领域的工业巨头广泛使用。通过精确模拟大型工业装置的复杂混合及化学反应过程，Barracuda可帮助企业降低有害物质的排放，提高能源的使用效率。这些装置包括:石油精炼厂、深层流化床反应器、煤或生物质气化炉和矿石提取反应器等的关键部分。其典型用户包括:阿尔斯通、埃克森美孚、陶氏化学、道康宁公司以及美国能源部国家能源技术实验室等。

Barracuda是专门用于模拟“颗粒-流体”系统流动及化学反应的商用软件包，它致力于工业尺度流化装置的模拟。Barracuda软件计算快速且功能强大:在模拟复杂流体/颗粒/热/化学反应现象方面功能强大;它的计算速度快，能够在设计期限内得到一个有意义的准定常特性，允许用户迅速地在不同设计之间做出权衡。

关于Barracuda的介绍，可以查看其官方网站：http://cpfd-software.com/。

下面以一个最简单的案例来看看这款比较小众的软件。

据说这软件发SCI很猛。

1 案例描述

本案例演示流化床内部流场计算，采用的数据为Kuipers 1992年的实验数据，案例采用2D模型计算。实验结果如下图所示。

计算数据包括：

• 流化床几何尺寸：0.57m×1.0m×1.5cm

• 流化床底部进气速度：0.25m/s

• 底部中心进气速度：10m/s

• 顶部边界为开敞边界

计算内容包括：

• 流化床内部气泡的运动行为

• 气泡直径

• 不同位置的颗粒体积分数

2 计算参数

计算几何如图所示。

几何参数：

• 宽度57cm

• 厚度1.5cm

• 高度100cm

• 颗粒初始填充高度50cm

• 底部中心进气孔尺寸1.5cm×1.5cm

颗粒参数：

• 采用两种不同属性的颗粒，以观察混合行为

• 颗粒密度2.66 g/cm3

• 颗粒直径440 μm~560 μm

初始条件：

• 固体相：颗粒占据1/2的高度，孔隙率0.55

• 流体相：颗粒剩余区域均为流体域

3 创建project

启动Barracuda，选择菜单File >New Project，出现创建新工程对话框，输入工程信息，点击OK按钮创建新工程。如下图所示。

此时左侧树形菜单面板中会增加一些节点，如下图所示。

4 导入几何

选择树形节点Setup Grid，在右侧面板中选择Geometry标签页，点选按钮Add Geometry打开文件选择对话框，选择几何文件2Dbed.stl。

5 生成网格

• 切换至Grid Controls标签页，设置STL unit为m，如下图所示。

• 切换至Grid lines标签页，分别设置X、Y、Z方向网格数量为30、1、60，如下图所示。

设置为1层网格，表示计算的是2D模型。

• 点击按钮Generate Grid按钮生成网格

• 选择菜单Post-processing > Gmv > View Geometry > View Grid查看网格

生成网格如下图所示。

6 Global Settings

• 选择树形菜单节点Global Settings

• 右侧面板中设置重力加速度为（0 0 -9.8）

• 激活选项Isothermal flow，设置温度为300K

如下图所示。

7 Base Materials设置

• 选中树形菜单节点Base Materials

• 右侧面板中进行如下图所示设置，添加材料空气

• 点击Add按钮，在弹出的添加材料对话框中添加材料Glass，设置其状态为固体S，密度Density为2660，摩尔质量Molecular Weight为60，如下图所示。

8 Particle定义

• 选择模型树节点Particles，右侧面板中设置Close pack volume fraction为0.55

• 设置Normal-to-wall momentum retention为0.3

• 设置Tangent-to-wall momentum retention为0.99

9 Particle species设置

• 选择模型树节点Partiles > Particle Species，右侧面板中点击按钮Add，弹出Particle Species Properties对话框

• 在对话框中选择按钮Applied Materials，弹出Applied Materials Managers对话框

• 在对话框中选择按钮Add按钮，弹出Applied Material对话框

• 选择材料Glass，设置Mass fraction amount为1

• 点击OK按钮

操作过程如下图所示。

• 返回至Particle Species Editor对话框，设置颗粒半径Radius为2.2e-4~2.8e-4，选择Drag Model为Wen-Yu，其他参数保持默认设置。

• 点击OK按钮关闭对话框

本案例定义两种颗粒。在Particle Species节点下，选择前面定义的组分，点击按钮Copy从而复制一种组分。如下图所示。

10 定义初始值

初始条件如下图所示。

• 选择模型树节点Initial Conditions > Fluid ICs，右侧面板中选中ID为000的列表项，点击按钮Edit，弹出编辑对话框，在对话框中点击按钮Define fluids，弹出材料选择对话框

• 弹出的对话框中选择按钮Add material，在新弹出的对话框中选择材料Air，并设置Mass fraction amount为1

• 关闭材料指定对话框，返回至编辑对话框，设置三方向速度均为0，设置Pressure为1e5，并指定location均为min至max，如下图所示。点击OK按钮关闭编辑对话框。

• 返回至主界面，选择节点Particle ICs。点击右侧面板中Add按钮添加新的初始条件，弹出新的对话框

• 如下图所示设置。选择Species-ID为001，设置Particle volume fraction为0.55，设置区域为Z方向min~15。点击OK按钮关闭对话框

• 同样的方法设置另一个初始值，其species-ID为002，区间为Z方向16~30

11 Pressure BCs设置

• 选择模型树节点Boundary Conditions > Pressure BCs，点击右侧面板中的Add按钮

• 在弹出的对话框中点击按钮Define fluid species，弹出材料选择对话框，点击按钮Add material，在弹出的对话框中选择材料Air，并设置其Mass fraction amout为1，如下图所示

• 返回至条件设置对话框，按下图所示设置。设置location为k1方向max~max，设置pressure为1e5

12 Flow BCs设置

• 点击模型树节点Flow BCs，选择右侧面板中的Add按钮

• 在弹出的面板中按如图所示设置。设置速度为0.25m/s，压力为1e5 Pa，位置为(min 15)(min max)(min min)

• 点击按钮Define fluids按钮，在弹出的对话框中设置材料为Air，其质量分数为1

• 相同的方法设置另一个低速空气入口，位置为(17 max)，如下图所示。

• 设置高速空气入口，位置为(16 16)(min max)(min min)，速度值为10m/s，如下图所示

13 Times Controls设置

• 选择模型树节点Time Controls

• 右侧面板中设置Time step为0.0001，设置End Time为20

14 Flux Planes

• 选择模型树节点Data Output > Flux Plane，点击Add按钮，添加检测位置为k1=40的平面，如下图所示设置。

15 GMV Output Options

• 选择模型树节点GMV Output Options，按下图所示设置右侧面板

16 Average Data

• 选择模型树节点Average Data，按下图所示设置

17 Transient Data

• 选择模型树节点Transient Data，按下图所示设置。

18 Run

• 选择模型树节点Run

• 右侧面板中点击按钮Run Solver Setup(1 time step)

• 点击按钮View Initial Particles, Volume Fraction可检查查看颗粒的初始分布，如下图所示

• 点击按钮view Initial Particles，Species查看颗粒组分分布，如下图所示

• 点击按钮Run Solver开始计算

19 后处理

• 选择模型树节点Post-Run，右侧面板为后处理工具，可以选择查看区域内流场分布。也可以选择将数据导出到ensight中进行后处理。

关于后处理的内容，这里不详述，与常规的CFD后处理类似。

如下图为0.9s时刻颗粒分布云图。

后记：Barracuda处理大规模颗粒流动非常有效，尤其是气固流动。