本发明涉及软件对旋流电解槽结构优化技术领域，具体涉及一种基于fluent软件对旋流电解槽结构优化的方法。
背景技术：
旋流电解槽在
湿法冶金过程中的应用越来越广泛，主要应用于铜、镍、钴分离与高值回收。旋流电解槽外形结构设计、进液口的排列分布设计、出液口设计、流量大小都是影响电提取效果的关键因素。因此，设计调节好旋流电解槽的关键参数是提高电提取效率和改善旋流电积工艺的重要的研究方向。
在旋流电提取过程中，一旦旋流电解槽进入生产阶段，每一次调节旋流电解槽参数、更换电解槽都会对生产造成一定影响，因而如何了解旋流电解槽中电解液流动状态，将旋流电解槽进一步进行优化设计，调整参数到最佳生产状态一直都是研究重点。fluent软件是目前国内外使用最多、最流行的cfd商业软件之一，其包含丰富、经过工程确认的物理模型，能够精确地模拟电解液在旋流电解槽的复杂流动问题。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种将旋流电解槽结构优化的工程性问题变成数学问题，为旋流电解槽结构优化提供了简单快捷的一种基于fluent软件对旋流电解槽结构优化的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于fluent软件对旋流电解槽结构优化的方法，包括以下步骤：
（1）根据应用于中试实验的旋流电解槽设备，得到旋流电解槽基本尺寸参数，利用solidworks或ansys软件建立旋流电解槽模型并输出*.sat文件；
（2）在步骤（1）所得.sat文件导入icem前处理器或gambit前处理器，对实体模型进行网格划分并输出*.cdb文件；
（3）将步骤（2）中输出的*.cdb文件导入cfx–pre前处理模块，设定旋流电解槽的流速入口位置和压力出口位置并输出*.def文件；
（4）利用fluent软件读取步骤（3）中得到的*.def文件，设置旋流电解槽模型的数学模型、物性参数和边界条件，设定数学模型的计算初始条件，并开始数值模拟计算，得到*.cas和*.dat结果文件；
（5）将步骤（4）中的*.cas和*.dat结果文件导入后处理软件tecplot或cfd–post中，得到旋流电解槽模拟图形数据，包括旋流电解槽不同截面的速度矢量云图和压力分布云图；
（6）输出步骤（5）中的模拟图形数据；
（7）重复步骤（1）~（6），进行多次数值模拟，每一次数值模拟时改变步骤（1）中的旋流电解槽基本尺寸参数和步骤4)中的边界条件参数；
（8）对比多次数值模拟输出的模拟图形数据，得到旋流电解槽结构优化的最佳参数；
（9）根据步骤（7）中得到的旋流电解槽结构优化的最佳参数条件，对旋流电积技术工业生产提供优化指导。
优选地，步骤（1）中，所述旋流电解槽基本尺寸参数，包括旋流电解槽的外形整体尺寸，入口的位置、角度、个数和尺寸，出液口的位置、角度、个数和尺寸。
优选地，步骤（2）中，所述旋流电解槽实体模型经过网格划分，网格数目在137万至140万之间。
优选地，步骤（3）中，所述流速入口位置为进液口位置，所述压力出口位置为出液口位置。
优选地，步骤（4）中，所述数学模型，包括单相流模型、k-ε湍流模型、能量模型和离散相模型，所述湍流模型采用标准(standard)k-e模型；所述物性参数，包括电解液密度、粘度和表面张力；所述边界条件，包括进液口入口流量、进液口倾角、出液口压力、壁面条件和水力直径；所述数值模拟计算的初始化条件采用fluent软件的initializations命令对流场进行初始化操作；所述数值模拟计算采用simple算法进行；
优选地，步骤（7）中，所述边界条件，包括进液口入口流量、进液口倾角、出液口压力、壁面条件和水力直径。
本发明的有益效果是：
1.旋流电积槽是一种新型的电积设备，通过高速液流的运动来降低浓差极化，达到提高电积效率的目的。旋流电积槽内电解液流速快，流动方式复杂，目前尚没有针对旋流电积槽的内部流场的研究。利用fluent软件模拟底吹炉熔炼过程，可以得到复杂过程中的各个基本物理参数(例如:流速、压强等)及其随时间变化的情况，这些参数能直观形象的反映出电积过程的好坏。
2.本发明利用ansys前处理模块实体建模的强大性、icem（或gambit）划分网格的高质量性、cfx-pre结构处理的便捷性、fluent先进的流体数值模拟方法和tecplot(或cfd-post)模拟结果后处理的直观性，将旋流电解槽结构优化的工程性问题变成数学问题。采用上述仿真模拟技术，建立与实际体系一致的旋流电解槽模型，对工业旋流电解槽进行模拟，根据模拟结果，优化旋流电解槽结构参数，为旋流电提取工业生产提供了优化指导，改善其运行条件，降低经验化调整旋流电解过程参数及设备尺寸造成的损失，指导旋流电提取工业生产。为旋流电解槽结构优化提供了一种简单快捷的方法。
附图说明
图1是本发明的基本流程结构图；
图2是本发明实施例的旋流电解槽示意图；
图3是本发明实施例速度分布图；
图4是本发明实施例压力分布图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明：
如图1所示，一种基于fluent软件对旋流电解槽结构优化的方法的实施例：
（1）根据应用于中试实验的旋流电解槽设备，得到旋流电解槽基本尺寸参数，利用solidworks建立旋流电解槽模型并输出*.sat文件；
旋流电解槽实体模型如图2所示，包括旋流电解槽主体、进液口和出液口。其结构参数图中详见图2；
（2）将步骤（1）中输出的文件导入icem前处理器中，对旋流电解槽三维模型划分网格并输出*.cdb文件;
（3）将步骤（2）中输出的*.cdb文件导入cfx–pre前处理模块，利用其设定出入口的便捷性，设定旋流电解槽的流速入口位置和压力出口位置(进液口和出液口条件)并输出*.def文件；
（4）利用f1ucnt软件读取步骤（3）中得到的*.def文件，设置旋流电解槽模型的数学模型(单相流模型、k-ε湍流模型、能量模型、离散相模型)、物性参数(电解液密度、粘度、表面张力)、边界条件(进液口入口流量、进液口倾角、出液口压力、壁面条件及水力直径)，选择simple计算方法，设定模型的计算初始条件以及开始数值模拟计算，并得到*.cas和*.dat结果文件;
其中fluent设定过程如下：
importinthecfxfile:/导入*.def文件
selectmodels；/选择数学模型
define/models/viscous/standardk-e，enhancedwalltreatment;/选择k-e模型
……;
define/materials;/定义物性参数
user-defined;
……;
define/boundaryconditions/int-solution;/设定进液口边界条件
……/out-solution;设定出液口边界条件
……/wall;设定壁面边界条件
……;
solve/methods/scheme/simple;/设定求解方法
solve/initialization/initialize/patch;/设定计算初始条件
……;
solve/runcalculation/timestepsize(s)/le-4;/设定时间步长
solve/runcalculation/calculate;/开始计算
……;
（5）将步骤（4）中的*.cas和*.dat结果文件导入tecplot中，得到旋流电解槽不同截面的速度矢量云图和压力分布云图；
步骤（5）中得到的速度分布云图（如图3）和压力分布云图（如图4）：
图3显示了旋流电解槽内各处流速分布情况，图中各处数字代表流速大小，观察旋流电解槽中高度为30、280、560、840、1060mm的五个截面，发现电解液以5m/s的流速进入旋流电解槽，由于重力以及液体与避免碰撞损耗等原因，液体的流动速度呈现螺旋向上递减的趋势；由于进液口与旋流电积槽内的管径不同，由小管径进入大管径后，流速重新分配，增加了流体的相对运动，底部液体的流速降为1m/s左右，顶部液体的流速受到重力作用则降低至0.1-0.3m/s；流体与阴、阳极极壁存在摩擦和撞击，壁面流速明显低于其他部分。
图4显示了旋流电解槽内压力分布情况，流体自入口进入旋流电解槽中，由于流体与壁面存在碰撞，可以直观的从5个截面看出旋流电解槽内不均匀的压力分布，而不均匀的压力分布会对电沉积反应的产品形貌产生影响。借助于数值模拟软件对旋流电解槽内部流场、压力场进行可视化操作，直观的反应电解液从底部入口高速射流进入旋流电解槽的流动状态和电解槽内各壁面的受力情况，并以此为依据，对入口速度、角度、直径和个数等参数对于旋流电解槽流场、压力场进行预测研究，为旋流反应器优化提供理论指导。
（6）输出步骤（5）中的模拟图形数据，通过改变步骤（1）中的相关参数，包括进液口数目、进液口倾角、进液口直径、进液口流速等，重复步骤（2）、（3）、（4）和（5），对比模拟结果的流速分布图和压力分布图，能直观的判断调整参数后的效果，由模拟结果的最优解直至得到旋流电解槽结构优化的最佳参数条件；
根据步骤（6）中得到的旋流电解槽结构优化结果，选择最优化的进液口数目、倾角、直径、入口流速、出口位置的参数，指导旋流电解槽工业生产。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应当视为在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细说明的内容属于本领域技术人员熟知的现有技术。
技术特征：
1.一种基于fluent软件对旋流电解槽结构优化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）根据应用于中试实验的旋流电解槽设备，得到旋流电解槽基本尺寸参数，利用solidworks或ansys软件建立旋流电解槽模型并输出*.sat文件；
（2）在步骤（1）所得.sat文件导入icem前处理器或gambit前处理器，对实体模型进行网格划分并输出*.cdb文件；
（3）将步骤（2）中输出的*.cdb文件导入cfx–pre前处理模块，设定旋流电解槽的流速入口位置和压力出口位置并输出*.def文件；
（4）利用fluent软件读取步骤（3）中得到的*.def文件，设置旋流电解槽模型的数学模型、物性参数和边界条件，设定数学模型的计算初始条件，并开始数值模拟计算，得到*.cas和*.dat结果文件；
（5）将步骤（4）中的*.cas和*.dat结果文件导入后处理软件tecplot或cfd–post中，得到旋流电解槽模拟图形数据，包括旋流电解槽不同截面的速度矢量云图和压力分布云图；
（6）输出步骤（5）中的模拟图形数据；
（7）重复步骤（1）~（6），进行多次数值模拟，每一次数值模拟时改变步骤（1）中的旋流电解槽基本尺寸参数和步骤4)中的边界条件参数；
（8）对比多次数值模拟输出的模拟图形数据，得到旋流电解槽结构优化的最佳参数；
（9）根据步骤（7）中得到的旋流电解槽结构优化的最佳参数条件，对旋流电积技术工业生产提供优化指导。
2.根据权利要求1所述的一种基于fluent软件对旋流电解槽结构优化的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述旋流电解槽基本尺寸参数，包括旋流电解槽的外形整体尺寸，入口的位置、角度、个数和尺寸，出液口的位置、角度、个数和尺寸。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于fluent软件对旋流电解槽结构优化的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述旋流电解槽实体模型经过网格划分，网格数目在137万至140万之间。
4.根据权利要求3所述的一种基于fluent软件对旋流电解槽结构优化的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述流速入口位置为进液口位置，所述压力出口位置为出液口位置。
5.根据权利要求4所述的一种基于fluent软件对旋流电解槽结构优化的方法，其特征在于，步骤（4）中，所述数学模型，包括单相流模型、k-ε湍流模型、能量模型和离散相模型。
6.根据权利要求5所述的一种基于fluent软件对旋流电解槽结构优化的方法，其特征在于，步骤（4）中，所述湍流模型采用标准(standard)k-e模型。
7.根据权利要求6所述的一种基于fluent软件对旋流电解槽结构优化的方法，其特征在于，步骤（4）中，所述物性参数，包括电解液密度、粘度和表面张力。
8.根据权利要求7所述的一种基于fluent软件对旋流电解槽结构优化的方法，其特征在于，步骤（4）中，所述边界条件，包括进液口入口流量、进液口倾角、出液口压力、壁面条件和水力直径。
9.根据权利要求8所述的一种基于fluent软件对旋流电解槽结构优化的方法，其特征在于，步骤（4）中，所述数值模拟计算的初始化条件采用fluent软件的initializations命令对流场进行初始化操作；所述数值模拟计算采用simple算法进行。
10.根据权利要求9所述的一种基于fluent软件对旋流电解槽结构优化的方法，其特征在于，步骤（7）中，所述边界条件，包括进液口入口流量、进液口倾角、出液口压力、壁面条件和水力直径。
技术总结
一种基于Fluent软件对旋流电解槽结构优化的方法，包括以下步骤：根据旋流电解槽中试设备，确定电解槽基本尺寸、入口位置、个数及尺寸；利用solidworks或ANSYS建立实体模型；利用ICEM或GAMBIT软件对实体模型进行网格划分；采用CFX–pre软件设置模型出入口，并输出def格式文件；采用fluent软件读取def文件并设置相关模型及参数开始数值求解；将计算结果导入后处理软件tecplot或CFD–post软件中，输出更为直观的图形结果；根据计算结果，变更入口角度、位置、数量及模型参数，重复上述计算步骤，知道得到最优参数组合。本发明通过利用数值模拟计算方法，实现了旋流电解槽的结构优化，为旋流电积槽的工业生产提供理论指导，降低了改造优化设备成本。
技术研发人员：田庆华;洪建邦;
郭学益;许志鹏
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2019.09.18
技术公布日：2020.02.14
声明：
“基于Fluent软件对旋流电解槽结构优化的方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：中南大学
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2025年03月28日 ~ 30日 
