A GPU-based FVM–DEM coupling framework and its application on gas-liquid-solid three-phase flow
张杨杨，徐文杰*，陈雍之
Keywords: Gas-liquid-solid three-phase flow; FVM-DEM; Coupling algorithm; GPU acceleration; Resolved-unresolved coupling
DOI: 10.1016/j.partic.2025.06.009
气-液-固三相流广泛存在于土木工程、水利工程、生物医学以及化工等众多领域，如泥石流演化、双分散颗粒系统中颗粒迁移以及流化床系统等。由于气-液-固三相体系内在机理的复杂性，对其动力学行为进行准确、高效解析具有重要意义。然而，传统物理实验方法受到尺度效应、捕捉微观动力学过程的难度以及高昂成本等因素的制约，难以准确描述过程中的复杂现象。随着计算技术的发展，数值模拟已逐渐成为解决上述问题的有效手段之一。本文基于FVM（Finite volume method）和DEM（Discrete element method）分别在流体动力学和复杂颗粒系统中应用的优势，提出一种高性能FVDEM耦合算法，并基于算法开发了三相流模拟耦合框架，CoSim-FVDEM。该方法包含解析、非解析、解析-非解析三种耦合方法，克服了传统耦合模型难以实现宽级配模拟以及CPU-GPU之间传输效率低等局限性。
相关研究成果发表于PARTICUOLOGY（Volume 104），欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！
亮点
1. 自主开发了一种基于GPU的气-液-固三相流耦合分析软件CoSim-FVDEM，包含解析、非解析、解析-非解析三种耦合方法。
2. CoSim-FVDEM通过统一的软件框架，克服了传统耦合模型难以实现宽级配模拟以及CPU-GPU之间传输效率低的局限性。
3. 系统验证了CoSim-FVDEM耦合算法的准确性，为大规模气-液-固三相耦合动力学过程的高效计算分析提供了新质生产力。
要点精读
2.1 算法特色
CoSim-FVDEM算法涵盖了解析耦合法、未解析耦合法以及解析-未解析混合耦合法，如图1所示。该方法克服了传统耦合算法局限于粒径相近颗粒模拟的不足，能够适用于涉及多种粒径固体颗粒的多相体系动力学研究。
图1. CoSim-FVDEM算法示意图
2.2 数值实现
在数值实现方面，FVM、DEM及耦合模块均采用GPU并行加速技术。其中，FVM模块采用CSR格式（压缩稀疏行）和共轭梯度法（CG）来存储和高效求解大规模稀疏矩阵，有效降低显存消耗，提升了计算效率，实现了大规模、高精度并行计算。同时，将FVM和DEM模块整合在统一框架内运行（图2），还避免了FVM与DEM间耦合信息传递耗时长的问题，显著提高了整体耦合运算效率。
图2. 基于GPU的FVM-DEM算法计算流程图
2.3 案例验证
含有水和固体颗粒的滚筒运动被视为是一个典型的三相流（固、液、气）流动问题，本文以其为研究案例，同时也将其作为一种流固耦合算法获得验证的经典案例。
图3显示了CoSim-FVDEM 解析法和非解析法的数值模拟结果，并与理论分析及实验数据进行了比较，结果显示数值计算结果与试验数据吻合较好，由此验证了模型的有效性和准确性。
图3. 滚筒试验验证
2.4 框架应用
以气-液-固三相耦合的双分散颗粒系统为例，显示了CoSim-FVDEM框架在复杂多相系统中的应用能力。如图4所示，滚筒模型内是粒径差异较大的球形颗粒，通过模拟流动过程中气-液界面、水体与不同粒径颗粒之间动力学行为以及分布演化，获得了详细的动态特性，并将流动过程划分为四个阶段：起动阶段、逐渐分离阶段、细小颗粒下落阶段以及动态稳定阶段，而且还系统地描述了各阶段颗粒迁移、气液界面扰动及最终形成的稳定结构。
图4. 双分散颗粒三相流滚筒动力学过程
主要结论与展望
本文基于FVM和DEM在流体动力学和复杂颗粒系统中应用的优势，提出一种高性能FVDEM耦合算法，并研发了耦合模拟分析软件CoSim-FVDEM，可实现分散性固体颗粒系统大规模气-液-固三相耦合的高效模拟分析，突破了传统方法的计算瓶颈和框架整合障碍。该方法为复杂气-液-固三相体系力学过程研究、机理分析和工程应用分析提供了理论和算法支撑。CoSim-FVDEM将努力打造成为自然界、工业界等领域的大规模流-固耦合仿真分析软件。
通讯作者简介
徐文杰，清华大学副教授、博士生导师，国家级一流本科课程（线上）《地质学与工程地质》课程负责人。主要从事工程地质力学及高性能计算、地质灾害分析和防控理论与技术、边坡与地下工程、信息化及数字孪生等方面的教学科研工作。目前已负责国家及企事业单位科研项目60余项，出版专著1部，发表论文110余篇，其中SCI/EI 80余篇；软著近30余项，发明专利近10余项。自主研发的计算软件——CoSim（耦合模拟器）已被10余家单位应用于岩土、灾害、海洋、工业、装备制造及国防等多个领域，多次支撑重大地质灾害应急分析。
供稿：原文作者
排版：《颗粒学报》编辑部
文章信息
Zhang, Y., Xu, W., & Chen, Y. (2025). A GPU-based FVM–DEM coupling framework and its application on gas-liquid-solid three-phase flow. Particuology, 104, 139-152. https://doi.org/10.1016/j.partic.2025.06.009.