基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及有色金属冶炼过程模拟仿真技术领域，尤其涉及一种基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真方法及系统。

背景技术

矿浆电解技术，将机械搅拌、溶液净化与电极反应集中在一个槽内，从而实现“一步法”制备金属。在合适的电解质体系下，矿石中的金属离子通过化学溶解、化学氧化、阳极氧化等方式浸出，离子在电场力的作用下定向迁移到阴极板。为提高金属的回收率，阴极板外侧有隔膜袋，一方面起到与矿石搅动区分离，提高析出金属纯净度的目的，另一方面，对掉落的沉积金属有一定的回收作用。通过控制电压，可以实现金属离子的选择性浸出。基于矿浆电解工艺流程短、能耗低、离子析出具有可控性等优点，在复杂矿石以及电子垃圾处理方面的应用越来越广泛。但是，这种工艺也必然导致了结构装置的复杂性、协调性差等问题，明确槽内各部分的特点与详细运行规律对提高生产效率、降低成本具有重要意义。

矿浆电解过程是一个涉及电解质流场、颗粒浓度场、组分输运场以及隔膜应力应变场的复杂体系。生产过程中，在搅拌桨的搅动下，槽内处于强湍流状态，以促进矿石的充分悬浮与组分输运；同时因受到流体与矿石的冲刷，运行一段时间后隔膜袋发生破损。槽内的搅拌死区、悬浮均匀度以及隔膜破损等问题是生产的限制性因素。一般矿浆电解过程中电解质选取HCl体系，正常运行时槽内温度可达60℃左右，在这种高酸、强腐蚀体系下难以对槽内流场等特点进行检测，对槽内的固液流动及运行状态无法直接实时监测。

数值仿真技术在工业问题求解优化方面的适用性越来越强，目前针对固液搅拌的研究较为充分，包括不同搅拌参数和工艺参数对悬浮效果的影响，可以有效地优化工艺设计，对工业生产有很好的指导意义。但是研究对象多是传统的圆柱型搅拌槽，槽内包括搅拌桨、挡板，结构简单，槽内流动较为单一，对模型进行适当简化，直接求解即可。矿浆电解过程是一种涉及矿石悬浮-溶解-离子沉积-隔膜形变的复杂体系，按照直接求解无法满足计算要求。槽内涉及宏观流动尺度与微观反应尺度，不同尺度之间耦合求解所需要的计算资源巨大，且已有求解方法有限，计算困难。目前对于矿浆电解这种复杂结构槽，且具有强酸、强湍流体系等工作报道的较少。

发明内容

本发明提供了一种基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真方法及系统，解决现有技术中槽内涉及宏观流动尺度与微观反应尺度，不同尺度之间耦合求解所需要的计算资源巨大，且已有求解方法有限，计算困难的问题。

为解决上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：一种基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真方法，其特征在于，步骤包括：

S1、将矿浆电解槽内复杂的多场耦合过程拆解为多个环节；

S2、获取多个环节的特征，根据多个环节的特征对不同的环节进行关键场的提取；

S3、对多个环节的关键场进行耦合计算，完成基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真。

优选地，步骤S1中，将矿浆电解槽内复杂的多场耦合过程拆解为多个环节，包括：

将矿浆电解槽内复杂的多场耦合过程拆解为：固液混合与悬浮过程、组分反应与扩散过程、固液流动下隔膜形变过程、矿石溶解粒径变化过程、离子迁移与沉积过程五个环节。

优选地，步骤S2中，获取多个环节的特征，根据多个环节的特征对不同的环节进行关键场的提取，包括：

提取固液混合与悬浮过程的关键场，关键场包括：固液两相流场和浓度场；

提取组分反应与扩散过程的关键场，关键场包括：流场、浓度场以及组分场；

提取固液流动下隔膜形变过程的关键场，关键场包括：流场、浓度场以及应力应变场；

提取矿石溶解粒径变化过程的关键场，关键场包括：流场、浓度场；

提取离子迁移与沉积过程的关键场，关键场包括：电场。

优选地，步骤S3中，对多个环节的关键场进行耦合计算，包括：

计算固液混合与悬浮过程中，固液两相流场和浓度场间的耦合；

计算组分反应与扩散过程中，流场、浓度场以及组分场间的耦合；

计算固液流动下隔膜形变过程中，流场、浓度场以及应力应变场间的耦合；

计算矿石溶解粒径变化过程中，流场、浓度场间的耦合；

计算离子迁移与沉积过程中，电场的耦合。

优选地，计算固液混合与悬浮过程中，固液两相流场和浓度场间的耦合，包括：

建立搅拌桨、电极板、隔膜袋的结构模型，将电极板和隔膜袋均处理为挡板，采用多重坐标参考系的方式处理搅动中的网格问题；

采用压力基的稳态求解控制方程；

构建Gidaspow曳力模型，将颗粒处理为拟流体，结合颗粒粘度以及颗粒压力条件，残差收敛标准设置为10

获得不同区域的颗粒浓度场、速度场、速度矢量分布、功率消耗等信息，根据流动特性划分矿浆电解槽内区域，解析搅拌死区位置。

优选地，计算组分反应与扩散过程中，流场、浓度场以及组分场间的耦合，包括：

将固液混合与悬浮过程中的求解控制方程的方式转换为瞬态；

时间步长设置为0.001s，保留流场，关闭浓度场，加入示踪剂，打开组分传输方程，对混合过程进行监测；

将示踪剂无量纲浓度达到0.95-1.05之间对应的时间定义为混合时间；

确定矿浆电解槽内流动混合的限制性位置。

优选地，计算固液流动下隔膜形变过程中，流场、浓度场以及应力应变场间的耦合，包括：

基于有限元与计算流体力学方法，采用直接耦合法求解在强湍流作用下隔膜的形变；

获取固液混合与悬浮过程中的计算的流场，通过流固交界面将流体域的结果加载到固体域，并设置固定约束，解析不同搅拌工况下隔膜应力应变场分布，确定容易破损的位置。

优选地，计算矿石溶解粒径变化过程中，流场、浓度场间的耦合，包括：

将矿石的粒径分布通过群体平衡模型加载到欧拉求解框架内；

将固液混合与悬浮过程中的求解方式转换为瞬态；

采用积分矩方法描述粒子分布，通过添加源项的方式加载颗粒的溶解过程；

确定大粒径和小粒径矿石颗粒在槽内的浓度场分布特点。

优选地，计算离子迁移与沉积过程中，电场的耦合，包括：

将矿石溶解粒径变化过程中计算的特征区域的颗粒浓度场分布信息等价为离子浓度分布，加载到特征区域，作为离子分布的初始条件，计算在电势差作用下离子的迁移过程以及电流效率。

一种基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真系统，系统用于上述的基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真方法，系统包括：

耦合过程拆解模块，用于将矿浆电解槽内复杂的多场耦合过程拆解为多个环节；

关键场提取模块，用于获取所述多个环节的特征，根据所述多个环节的特征对不同的环节进行关键场的提取；

建模仿真模块，用于对所述多个环节的关键场进行耦合计算，完成基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真。

一方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述处理器加载并执行以实现上述基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真方法。

一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现上述基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真方法。

上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：

上述方案，提出了将复杂的矿浆电解多场体系做关键场的提取，针对不同需求，对某几部分单独建模，在保证计算精度的前提下，提高关键场的计算效率。采用不同的方式进行场间耦合计算，降低整体模型的求解难度，提高计算效率。最终达到精准描述复杂多场内的流动反应特性的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真方法流程示意图；

图2是本发明实施例提供的矿浆电解过程建模仿真效果图；

图3是本发明实施例提供的基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真系统框图；

图4是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明针对现有技术中一般矿浆电解过程中电解质选取HCl体系，正常运行时槽内温度可达60℃左右，在这种高酸、强腐蚀体系下难以对槽内流场进行检测，对槽内的固液流动及运行状态无法直接实时监测，提供了一种基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真方法和系统。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真方法，该方法可以由电子设备实现。如图1所示的基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真方法流程图，该方法的处理流程可以包括如下的步骤：

S101、将矿浆电解槽内复杂的多场耦合过程拆解为多个环节；

一种可行的实施方式中，步骤S101中，将矿浆电解槽内复杂的多场耦合过程拆解为多个环节，包括：

将矿浆电解槽内复杂的多场耦合过程拆解为：固液混合与悬浮过程、组分反应与扩散过程、固液流动下隔膜形变过程、矿石溶解粒径变化过程、离子迁移与沉积过程五个环节。

一种可行的实施方式中，将矿浆电解槽内复杂的多场耦合过程分解为多个环节，针对不同环节的特征提取所涉及的关键场，并针对不同环节的关键场采用特定的方法进行耦合计算，实现矿浆电解过程的高效精准解析。

S102、获取多个环节的特征，根据多个环节的特征对不同的环节进行关键场的提取；

一种可行的实施方式中，步骤S102中，获取多个环节的特征，根据多个环节的特征对不同的环节进行关键场的提取，包括：

提取固液混合与悬浮过程的关键场，关键场包括：固液两相流场和浓度场；

提取组分反应与扩散过程的关键场，关键场包括：流场、浓度场以及组分场；

提取固液流动下隔膜形变过程的关键场，关键场包括：流场、浓度场以及应力应变场；

提取矿石溶解粒径变化过程的关键场，关键场包括：流场、浓度场；

提取离子迁移与沉积过程的关键场，关键场包括：电场。

S103、对多个环节的关键场进行耦合计算，完成基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真。

一种可行的实施方式中，步骤S103中，对多个环节的关键场进行耦合计算，包括：

计算固液混合与悬浮过程中，固液两相流场和浓度场间的耦合；

计算组分反应与扩散过程中，流场、浓度场以及组分场间的耦合；

计算固液流动下隔膜形变过程中，流场、浓度场以及应力应变场间的耦合；

计算矿石溶解粒径变化过程中，流场、浓度场间的耦合；

计算离子迁移与沉积过程中，电场的耦合。

一种可行的实施方式中，计算固液混合与悬浮过程中，固液两相流场和浓度场间的耦合，包括：

建立搅拌桨、电极板、隔膜袋的结构模型，将电极板和隔膜袋均处理为挡板，采用多重坐标参考系的方式处理搅动中的网格问题；

采用压力基的稳态求解控制方程；

构建Gidaspow曳力模型，将颗粒处理为拟流体，结合颗粒粘度以及颗粒压力条件，残差收敛标准设置为10

获得不同区域的颗粒浓度场、速度场、速度矢量分布、功率消耗等信息，根据流动特性划分矿浆电解槽内区域，解析搅拌死区位置。

一种可行的实施方式中，针对矿浆电解中的固液混合与悬浮过程，涉及固液两相流场和浓度场间的耦合，针对上述过程，仅建立搅拌桨、电极板、隔膜袋的结构模型，其中将电极板和隔膜袋均处理为挡板，采用多重坐标参考系的方式处理搅动中的网格问题。矿浆电解过程是连续、稳定的生产过程，模拟计算中采用压力基的稳态求解控制方程，其中控制方程包括质量方程、动力方程、能量方程、组分方程等。固液两相间作用力有升力、曳力、体积力等，其中起主要作用的是曳力，使用Gidaspow曳力模型；将颗粒处理为拟流体，考虑了颗粒粘度、颗粒压力等条件，残差收敛标准设置为10

一种可行的实施方式中，计算组分反应与扩散过程中，流场、浓度场以及组分场间的耦合，包括：

将固液混合与悬浮过程中的求解控制方程的方式转换为瞬态；

时间步长设置为0.001s，保留流场，关闭浓度场，加入示踪剂，打开组分传输方程，对混合过程进行监测；

将示踪剂无量纲浓度达到0.95-1.05之间对应的时间定义为混合时间；这里的混合时间到达到达0.95-1.05之间这一稳定状态的最短时间；

确定矿浆电解槽内流动混合的限制性位置。

一种可行的实施方式中，计算固液流动下隔膜形变过程中，流场、浓度场以及应力应变场间的耦合，包括：

基于有限元与计算流体力学方法，采用直接耦合法求解在强湍流作用下隔膜的形变；

获取固液混合与悬浮过程中的计算的流场，通过流固交界面将流体域的结果加载到固体域，并设置固定约束，解析不同搅拌工况下隔膜应力应变场分布，确定容易破损的位置。

一种可行的实施方式中，隔膜袋材质为尼龙。

一种可行的实施方式中，计算矿石溶解粒径变化过程中，流场、浓度场间的耦合，包括：

将矿石的粒径分布通过群体平衡模型加载到欧拉求解框架内；

将固液混合与悬浮过程中的求解方式转换为瞬态；

采用积分矩方法描述粒子分布，通过添加源项的方式加载颗粒的溶解过程；

确定大粒径和小粒径矿石颗粒在槽内的浓度场分布特点。

一种可行的实施方式中，实际的矿石是有一定的粒度分布，在一般的搅拌过程中为简化计算往往采用平均粒径。为了更加贴近实际生产，将矿石的粒径分布通过群体平衡模型加载到欧拉求解框架内。

一种可行的实施方式中，计算离子迁移与沉积过程中，电场的耦合，包括：

将矿石溶解粒径变化过程中计算的特征区域的颗粒浓度场分布信息等价为离子浓度分布，加载到特征区域，作为离子分布的初始条件，计算在电势差作用下离子的迁移过程以及电流效率。

一种可行的实施方式中，通过上述几个环节的关键场耦合计算，即可相对高效的获得较为准确的不同场信息的仿真计算结果，如图2所示。

本发明实施例中，本发明的有益效果是：将复杂多场过程进行拆解，针对不同需求，对某几部分单独建模，在保证计算精度的前提下，提高关键场的计算效率。最终达到精准描述复杂多场内的流动反应特性的目的。

图3是本发明的一种基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真系统示意图，所述系统200用于上述的基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真方法，所述系统200包括：

耦合过程拆解模块210，用于将矿浆电解槽内复杂的多场耦合过程拆解为多个环节；

关键场提取模块220，用于获取所述多个环节的特征，根据所述多个环节的特征对不同的环节进行关键场的提取；

建模仿真模块230，用于对所述多个环节的关键场进行耦合计算，完成基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真。

优选地，耦合过程拆解模块210，用于将矿浆电解槽内复杂的多场耦合过程拆解为：固液混合与悬浮过程、组分反应与扩散过程、固液流动下隔膜形变过程、矿石溶解粒径变化过程、离子迁移与沉积过程五个环节；

优选地，关键场提取模块220，用于提取固液混合与悬浮过程的关键场，关键场包括：固液两相流场和浓度场；

提取组分反应与扩散过程的关键场，关键场包括：流场、浓度场以及组分场；

提取固液流动下隔膜形变过程的关键场，关键场包括：流场、浓度场以及应力应变场；

提取矿石溶解粒径变化过程的关键场，关键场包括：流场、浓度场；

提取离子迁移与沉积过程的关键场，关键场包括：电场。

优选地，建模仿真模块230，用于计算固液混合与悬浮过程中，固液两相流场和浓度场间的耦合；

计算组分反应与扩散过程中，流场、浓度场以及组分场间的耦合；

计算固液流动下隔膜形变过程中，流场、浓度场以及应力应变场间的耦合；

计算矿石溶解粒径变化过程中，流场、浓度场间的耦合；

计算离子迁移与沉积过程中，电场的耦合。

优选地，计算固液混合与悬浮过程中，固液两相流场和浓度场间的耦合，包括：

建立搅拌桨、电极板、隔膜袋的结构模型，将电极板和隔膜袋均处理为挡板，采用多重坐标参考系的方式处理搅动中的网格问题；

采用压力基的稳态求解控制方程；

构建Gidaspow曳力模型，将颗粒处理为拟流体，结合颗粒粘度以及颗粒压力条件，残差收敛标准设置为10

获得不同区域的颗粒浓度场、速度场、速度矢量分布、功率消耗等信息，根据流动特性划分矿浆电解槽内区域，解析搅拌死区位置。

优选地，计算组分反应与扩散过程中，流场、浓度场以及组分场间的耦合，包括：

将固液混合与悬浮过程中的求解控制方程的方式转换为瞬态；

时间步长设置为0.001s，保留流场，关闭浓度场，加入示踪剂，打开组分传输方程，对混合过程进行监测；

将示踪剂无量纲浓度达到0.95-1.05之间对应的时间定义为混合时间；

确定矿浆电解槽内流动混合的限制性位置。

优选地，计算固液流动下隔膜形变过程中，流场、浓度场以及应力应变场间的耦合，包括：

基于有限元与计算流体力学方法，采用直接耦合法求解在强湍流作用下隔膜的形变；

获取固液混合与悬浮过程中的计算的流场，通过流固交界面将流体域的结果加载到固体域，并设置固定约束，解析不同搅拌工况下隔膜应力应变场分布，确定容易破损的位置。

优选地，计算矿石溶解粒径变化过程中，流场、浓度场间的耦合，包括：

将矿石的粒径分布通过群体平衡模型加载到欧拉求解框架内；

将固液混合与悬浮过程中的求解方式转换为瞬态；

采用积分矩方法描述粒子分布，通过添加源项的方式加载颗粒的溶解过程；

确定大粒径和小粒径矿石颗粒在槽内的浓度场分布特点。

优选地，计算离子迁移与沉积过程中，电场的耦合，包括：

将矿石溶解粒径变化过程中计算的特征区域的颗粒浓度场分布信息等价为离子浓度分布，加载到特征区域，作为离子分布的初始条件，计算在电势差作用下离子的迁移过程以及电流效率。

本发明实施例中，本发明的有益效果是：将复杂多场过程进行拆解，针对不同需求，对某几部分单独建模，在保证计算精度的前提下，提高关键场的计算效率。最终达到精准描述复杂多场内的流动反应特性的目的。

图4是本发明实施例提供的一种电子设备300的结构示意图，该电子设备300可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器(centralprocessing units，CPU)301和一个或一个以上的存储器302，其中，所述存储器302中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述处理器301加载并执行以实现下述基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真方法的步骤：

S1、将矿浆电解槽内复杂的多场耦合过程拆解为多个环节；

S2、获取多个环节的特征，根据多个环节的特征对不同的环节进行关键场的提取；

S3、对多个环节的关键场进行耦合计算，完成基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真。

在示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，例如包括指令的存储器，上述指令可由终端中的处理器执行以完成上述基于关键场耦合的矿浆电解过程建模仿真方法。例如，所述计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。