本發(fā)明涉及軟件對(duì)旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于fluent軟件對(duì)旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法。

背景技術(shù)：

旋流電解槽在濕法冶金過(guò)程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，主要應(yīng)用于銅、鎳、鈷分離與高值回收。旋流電解槽外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、進(jìn)液口的排列分布設(shè)計(jì)、出液口設(shè)計(jì)、流量大小都是影響電提取效果的關(guān)鍵因素。因此，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)好旋流電解槽的關(guān)鍵參數(shù)是提高電提取效率和改善旋流電積工藝的重要的研究方向。

在旋流電提取過(guò)程中，一旦旋流電解槽進(jìn)入生產(chǎn)階段，每一次調(diào)節(jié)旋流電解槽參數(shù)、更換電解槽都會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成一定影響，因而如何了解旋流電解槽中電解液流動(dòng)狀態(tài)，將旋流電解槽進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整參數(shù)到最佳生產(chǎn)狀態(tài)一直都是研究重點(diǎn)。fluent軟件是目前國(guó)內(nèi)外使用最多、最流行的cfd商業(yè)軟件之一，其包含豐富、經(jīng)過(guò)工程確認(rèn)的物理模型，能夠精確地模擬電解液在旋流電解槽的復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種將旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的工程性問(wèn)題變成數(shù)學(xué)問(wèn)題，為旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了簡(jiǎn)單快捷的一種基于fluent軟件對(duì)旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種基于fluent軟件對(duì)旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，包括以下步驟：

（1）根據(jù)應(yīng)用于中試實(shí)驗(yàn)的旋流電解槽設(shè)備，得到旋流電解槽基本尺寸參數(shù)，利用solidworks或ansys軟件建立旋流電解槽模型并輸出*.sat文件；

（2）在步驟（1）所得.sat文件導(dǎo)入icem前處理器或gambit前處理器，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并輸出*.cdb文件；

（3）將步驟（2）中輸出的*.cdb文件導(dǎo)入cfx–pre前處理模塊，設(shè)定旋流電解槽的流速入口位置和壓力出口位置并輸出*.def文件；

（4）利用fluent軟件讀取步驟（3）中得到的*.def文件，設(shè)置旋流電解槽模型的數(shù)學(xué)模型、物性參數(shù)和邊界條件，設(shè)定數(shù)學(xué)模型的計(jì)算初始條件，并開(kāi)始數(shù)值模擬計(jì)算，得到*.cas和*.dat結(jié)果文件；

（5）將步驟（4）中的*.cas和*.dat結(jié)果文件導(dǎo)入后處理軟件tecplot或cfd–post中，得到旋流電解槽模擬圖形數(shù)據(jù)，包括旋流電解槽不同截面的速度矢量云圖和壓力分布云圖；

（6）輸出步驟（5）中的模擬圖形數(shù)據(jù)；

（7）重復(fù)步驟（1）~（6），進(jìn)行多次數(shù)值模擬，每一次數(shù)值模擬時(shí)改變步驟（1）中的旋流電解槽基本尺寸參數(shù)和步驟4)中的邊界條件參數(shù)；

（8）對(duì)比多次數(shù)值模擬輸出的模擬圖形數(shù)據(jù)，得到旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最佳參數(shù)；

（9）根據(jù)步驟（7）中得到的旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最佳參數(shù)條件，對(duì)旋流電積技術(shù)工業(yè)生產(chǎn)提供優(yōu)化指導(dǎo)。

優(yōu)選地，步驟（1）中，所述旋流電解槽基本尺寸參數(shù)，包括旋流電解槽的外形整體尺寸，入口的位置、角度、個(gè)數(shù)和尺寸，出液口的位置、角度、個(gè)數(shù)和尺寸。

優(yōu)選地，步驟（2）中，所述旋流電解槽實(shí)體模型經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)目在137萬(wàn)至140萬(wàn)之間。

優(yōu)選地，步驟（3）中，所述流速入口位置為進(jìn)液口位置，所述壓力出口位置為出液口位置。

優(yōu)選地，步驟（4）中，所述數(shù)學(xué)模型，包括單相流模型、k-ε湍流模型、能量模型和離散相模型，所述湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)(standard)k-e模型；所述物性參數(shù)，包括電解液密度、粘度和表面張力；所述邊界條件，包括進(jìn)液口入口流量、進(jìn)液口傾角、出液口壓力、壁面條件和水力直徑；所述數(shù)值模擬計(jì)算的初始化條件采用fluent軟件的initializations命令對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行初始化操作；所述數(shù)值模擬計(jì)算采用simple算法進(jìn)行；

優(yōu)選地，步驟（7）中，所述邊界條件，包括進(jìn)液口入口流量、進(jìn)液口傾角、出液口壓力、壁面條件和水力直徑。

本發(fā)明的有益效果是：

1.旋流電積槽是一種新型的電積設(shè)備，通過(guò)高速液流的運(yùn)動(dòng)來(lái)降低濃差極化，達(dá)到提高電積效率的目的。旋流電積槽內(nèi)電解液流速快，流動(dòng)方式復(fù)雜，目前尚沒(méi)有針對(duì)旋流電積槽的內(nèi)部流場(chǎng)的研究。利用fluent軟件模擬底吹爐熔煉過(guò)程，可以得到復(fù)雜過(guò)程中的各個(gè)基本物理參數(shù)(例如:流速、壓強(qiáng)等)及其隨時(shí)間變化的情況，這些參數(shù)能直觀形象的反映出電積過(guò)程的好壞。

2.本發(fā)明利用ansys前處理模塊實(shí)體建模的強(qiáng)大性、icem（或gambit）劃分網(wǎng)格的高質(zhì)量性、cfx-pre結(jié)構(gòu)處理的便捷性、fluent先進(jìn)的流體數(shù)值模擬方法和tecplot(或cfd-post)模擬結(jié)果后處理的直觀性，將旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的工程性問(wèn)題變成數(shù)學(xué)問(wèn)題。采用上述仿真模擬技術(shù)，建立與實(shí)際體系一致的旋流電解槽模型，對(duì)工業(yè)旋流電解槽進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，優(yōu)化旋流電解槽結(jié)構(gòu)參數(shù)，為旋流電提取工業(yè)生產(chǎn)提供了優(yōu)化指導(dǎo)，改善其運(yùn)行條件，降低經(jīng)驗(yàn)化調(diào)整旋流電解過(guò)程參數(shù)及設(shè)備尺寸造成的損失，指導(dǎo)旋流電提取工業(yè)生產(chǎn)。為旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一種簡(jiǎn)單快捷的方法。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的基本流程結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的旋流電解槽示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例速度分布圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例壓力分布圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明：

如圖1所示，一種基于fluent軟件對(duì)旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法的實(shí)施例：

（1）根據(jù)應(yīng)用于中試實(shí)驗(yàn)的旋流電解槽設(shè)備，得到旋流電解槽基本尺寸參數(shù)，利用solidworks建立旋流電解槽模型并輸出*.sat文件；

旋流電解槽實(shí)體模型如圖2所示，包括旋流電解槽主體、進(jìn)液口和出液口。其結(jié)構(gòu)參數(shù)圖中詳見(jiàn)圖2；

（2）將步驟（1）中輸出的文件導(dǎo)入icem前處理器中，對(duì)旋流電解槽三維模型劃分網(wǎng)格并輸出*.cdb文件;

（3）將步驟（2）中輸出的*.cdb文件導(dǎo)入cfx–pre前處理模塊，利用其設(shè)定出入口的便捷性，設(shè)定旋流電解槽的流速入口位置和壓力出口位置(進(jìn)液口和出液口條件)并輸出*.def文件；

（4）利用f1ucnt軟件讀取步驟（3）中得到的*.def文件，設(shè)置旋流電解槽模型的數(shù)學(xué)模型(單相流模型、k-ε湍流模型、能量模型、離散相模型)、物性參數(shù)(電解液密度、粘度、表面張力)、邊界條件(進(jìn)液口入口流量、進(jìn)液口傾角、出液口壓力、壁面條件及水力直徑)，選擇simple計(jì)算方法，設(shè)定模型的計(jì)算初始條件以及開(kāi)始數(shù)值模擬計(jì)算，并得到*.cas和*.dat結(jié)果文件;

其中fluent設(shè)定過(guò)程如下：

importinthecfxfile:/導(dǎo)入*.def文件

selectmodels；/選擇數(shù)學(xué)模型

define/models/viscous/standardk-e，enhancedwalltreatment;/選擇k-e模型

……;

define/materials;/定義物性參數(shù)

user-defined;

……;

define/boundaryconditions/int-solution;/設(shè)定進(jìn)液口邊界條件

……/out-solution;設(shè)定出液口邊界條件

……/wall;設(shè)定壁面邊界條件

……;

solve/methods/scheme/simple;/設(shè)定求解方法

solve/initialization/initialize/patch;/設(shè)定計(jì)算初始條件

……;

solve/runcalculation/timestepsize(s)/le-4;/設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)

solve/runcalculation/calculate;/開(kāi)始計(jì)算

……;

（5）將步驟（4）中的*.cas和*.dat結(jié)果文件導(dǎo)入tecplot中，得到旋流電解槽不同截面的速度矢量云圖和壓力分布云圖；

步驟（5）中得到的速度分布云圖（如圖3）和壓力分布云圖（如圖4）：

圖3顯示了旋流電解槽內(nèi)各處流速分布情況，圖中各處數(shù)字代表流速大小，觀察旋流電解槽中高度為30、280、560、840、1060mm的五個(gè)截面，發(fā)現(xiàn)電解液以5m/s的流速進(jìn)入旋流電解槽，由于重力以及液體與避免碰撞損耗等原因，液體的流動(dòng)速度呈現(xiàn)螺旋向上遞減的趨勢(shì)；由于進(jìn)液口與旋流電積槽內(nèi)的管徑不同，由小管徑進(jìn)入大管徑后，流速重新分配，增加了流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，底部液體的流速降為1m/s左右，頂部液體的流速受到重力作用則降低至0.1-0.3m/s；流體與陰、陽(yáng)極極壁存在摩擦和撞擊，壁面流速明顯低于其他部分。

圖4顯示了旋流電解槽內(nèi)壓力分布情況，流體自入口進(jìn)入旋流電解槽中，由于流體與壁面存在碰撞，可以直觀的從5個(gè)截面看出旋流電解槽內(nèi)不均勻的壓力分布，而不均勻的壓力分布會(huì)對(duì)電沉積反應(yīng)的產(chǎn)品形貌產(chǎn)生影響。借助于數(shù)值模擬軟件對(duì)旋流電解槽內(nèi)部流場(chǎng)、壓力場(chǎng)進(jìn)行可視化操作，直觀的反應(yīng)電解液從底部入口高速射流進(jìn)入旋流電解槽的流動(dòng)狀態(tài)和電解槽內(nèi)各壁面的受力情況，并以此為依據(jù)，對(duì)入口速度、角度、直徑和個(gè)數(shù)等參數(shù)對(duì)于旋流電解槽流場(chǎng)、壓力場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)研究，為旋流反應(yīng)器優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

（6）輸出步驟（5）中的模擬圖形數(shù)據(jù)，通過(guò)改變步驟（1）中的相關(guān)參數(shù)，包括進(jìn)液口數(shù)目、進(jìn)液口傾角、進(jìn)液口直徑、進(jìn)液口流速等，重復(fù)步驟（2）、（3）、（4）和（5），對(duì)比模擬結(jié)果的流速分布圖和壓力分布圖，能直觀的判斷調(diào)整參數(shù)后的效果，由模擬結(jié)果的最優(yōu)解直至得到旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最佳參數(shù)條件；

根據(jù)步驟（6）中得到的旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果，選擇最優(yōu)化的進(jìn)液口數(shù)目、傾角、直徑、入口流速、出口位置的參數(shù)，指導(dǎo)旋流電解槽工業(yè)生產(chǎn)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)當(dāng)視為在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

說(shuō)明書中未詳細(xì)說(shuō)明的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)特征：

1.一種基于fluent軟件對(duì)旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，其特征在于，包括以下步驟：

（1）根據(jù)應(yīng)用于中試實(shí)驗(yàn)的旋流電解槽設(shè)備，得到旋流電解槽基本尺寸參數(shù)，利用solidworks或ansys軟件建立旋流電解槽模型并輸出*.sat文件；

（2）在步驟（1）所得.sat文件導(dǎo)入icem前處理器或gambit前處理器，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并輸出*.cdb文件；

（3）將步驟（2）中輸出的*.cdb文件導(dǎo)入cfx–pre前處理模塊，設(shè)定旋流電解槽的流速入口位置和壓力出口位置并輸出*.def文件；

（4）利用fluent軟件讀取步驟（3）中得到的*.def文件，設(shè)置旋流電解槽模型的數(shù)學(xué)模型、物性參數(shù)和邊界條件，設(shè)定數(shù)學(xué)模型的計(jì)算初始條件，并開(kāi)始數(shù)值模擬計(jì)算，得到*.cas和*.dat結(jié)果文件；

（5）將步驟（4）中的*.cas和*.dat結(jié)果文件導(dǎo)入后處理軟件tecplot或cfd–post中，得到旋流電解槽模擬圖形數(shù)據(jù)，包括旋流電解槽不同截面的速度矢量云圖和壓力分布云圖；

（6）輸出步驟（5）中的模擬圖形數(shù)據(jù)；

（7）重復(fù)步驟（1）~（6），進(jìn)行多次數(shù)值模擬，每一次數(shù)值模擬時(shí)改變步驟（1）中的旋流電解槽基本尺寸參數(shù)和步驟4)中的邊界條件參數(shù)；

（8）對(duì)比多次數(shù)值模擬輸出的模擬圖形數(shù)據(jù)，得到旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最佳參數(shù)；

（9）根據(jù)步驟（7）中得到的旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最佳參數(shù)條件，對(duì)旋流電積技術(shù)工業(yè)生產(chǎn)提供優(yōu)化指導(dǎo)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于fluent軟件對(duì)旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，其特征在于，步驟（1）中，所述旋流電解槽基本尺寸參數(shù)，包括旋流電解槽的外形整體尺寸，入口的位置、角度、個(gè)數(shù)和尺寸，出液口的位置、角度、個(gè)數(shù)和尺寸。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于fluent軟件對(duì)旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，其特征在于，步驟（2）中，所述旋流電解槽實(shí)體模型經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)目在137萬(wàn)至140萬(wàn)之間。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于fluent軟件對(duì)旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，其特征在于，步驟（3）中，所述流速入口位置為進(jìn)液口位置，所述壓力出口位置為出液口位置。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于fluent軟件對(duì)旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，其特征在于，步驟（4）中，所述數(shù)學(xué)模型，包括單相流模型、k-ε湍流模型、能量模型和離散相模型。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于fluent軟件對(duì)旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，其特征在于，步驟（4）中，所述湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)(standard)k-e模型。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于fluent軟件對(duì)旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，其特征在于，步驟（4）中，所述物性參數(shù)，包括電解液密度、粘度和表面張力。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于fluent軟件對(duì)旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，其特征在于，步驟（4）中，所述邊界條件，包括進(jìn)液口入口流量、進(jìn)液口傾角、出液口壓力、壁面條件和水力直徑。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于fluent軟件對(duì)旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，其特征在于，步驟（4）中，所述數(shù)值模擬計(jì)算的初始化條件采用fluent軟件的initializations命令對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行初始化操作；所述數(shù)值模擬計(jì)算采用simple算法進(jìn)行。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種基于fluent軟件對(duì)旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，其特征在于，步驟（7）中，所述邊界條件，包括進(jìn)液口入口流量、進(jìn)液口傾角、出液口壓力、壁面條件和水力直徑。

技術(shù)總結(jié)

一種基于Fluent軟件對(duì)旋流電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，包括以下步驟：根據(jù)旋流電解槽中試設(shè)備，確定電解槽基本尺寸、入口位置、個(gè)數(shù)及尺寸；利用solidworks或ANSYS建立實(shí)體模型；利用ICEM或GAMBIT軟件對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；采用CFX–pre軟件設(shè)置模型出入口，并輸出def格式文件；采用fluent軟件讀取def文件并設(shè)置相關(guān)模型及參數(shù)開(kāi)始數(shù)值求解；將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入后處理軟件tecplot或CFD–post軟件中，輸出更為直觀的圖形結(jié)果；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，變更入口角度、位置、數(shù)量及模型參數(shù)，重復(fù)上述計(jì)算步驟，知道得到最優(yōu)參數(shù)組合。本發(fā)明通過(guò)利用數(shù)值模擬計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了旋流電解槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為旋流電積槽的工業(yè)生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)，降低了改造優(yōu)化設(shè)備成本。

技術(shù)研發(fā)人員：田慶華;洪建邦;郭學(xué)益;許志鵬

受保護(hù)的技術(shù)使用者：中南大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2019.09.18

技術(shù)公布日：2020.02.14