CN107423461A - 一种锌电解过程中电解工况的测量方法与系统 - Google Patents

一种锌电解过程中电解工况的测量方法与系统 Download PDF

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CN107423461A CN201710188935.0A CN201710188935A CN107423461A CN 107423461 A CN107423461 A CN 107423461A CN 201710188935 A CN201710188935 A CN 201710188935A CN 107423461 A CN107423461 A CN 107423461A
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Abstract

本发明涉及有色冶金技术领域，提供一种锌电解过程中电解工况的测量方法与系统，其中方法包括：根据锌电解过程中电解液在电解槽内的流动状态特征及所述电解槽内的电解反应体系对应的电解特性，建立所述锌电解过程的数学模型；等比例建立所述电解槽对应的物理模型；根据所述数学模型和所述物理模型对所述电解槽内的所述锌电解过程进行仿真，获取表征所述锌电解过程的电解工况的工况参数。本发明提供的锌电解过程中电解工况的测量方法与系统，通过对锌电解过程的建模、仿真，获取锌电解过程的工况状态，能够为锌电解过程的优化控制提供便利，节约时间，提高整体效率；同时，由于不需要进行试验，相较传统方法更经济、更灵活。

Description

一种锌电解过程中电解工况的测量方法与系统
技术领域
本发明涉及有色冶金技术领域，更具体地，涉及一种锌电解过程中电解工况的测量方法与系统。
背景技术
湿法是锌冶炼的主要方法，世界上85％以上的锌通过湿法冶炼生产。电解作为湿法炼锌过程中最大的耗能工序，其电耗占湿法炼锌中总用电量的95％以上，电费占到了加工成本的30％-40％。因此，电解过程的节能降耗对实现湿法炼锌的绿色生产有重大意义。
锌电解过程中，电解液的酸/锌离子浓度以及电流密度(单位面积阴极板通过的电流)等工艺参数是影响电流效率及能耗的主要因素。为了降低能耗，需实现对这些工艺参数的优化控制。传统的生产工艺一般通过人工从电解槽内采集电解液进行化验，然后根据化验结果对锌电解过程中的电流密度及酸/锌离子浓度等参数进行控制。这种处理方式存在时间滞后长、使锌电解生产效率低的问题。此外，由于锌电解过程工艺机理复杂，且随着电解时间的延长，电解槽内的电场、流场及浓度场存在畸变的情况，采用传统的方法对锌电解过程的建模与优化控制变得困难。
因此，如何提供一种方法，能够有效节约获取锌电解过程工况状态的时间，提高效率，提高对锌电解过程进行节能优化控制的适应性，成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种锌电解过程中电解工况的测量方法与系统，以解决传统工艺处理方式中获取锌电解过程工况状态的时间滞后长、效率低和对锌电解过程进行优化控制的适应性差的问题。
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，一方面，本发明提供一种锌电解过程中电解工况的测量方法，包括：根据锌电解过程中电解液在电解槽内的流动状态特征及所述电解槽内的电解反应体系对应的电解特性，建立所述锌电解过程的数学模型；等比例建立所述电解槽对应的物理模型；根据所述数学模型和所述物理模型对所述电解槽内的所述锌电解过程进行仿真，获取表征所述锌电解过程的电解工况的工况参数。
进一步的，在所述等比例建立所述电解槽对应的物理模型之后，所述方法还包括：对所述数学模型和所述物理模型进行离散化处理，获得离散数学模型和离散物理模型。
进一步的，在所述等比例建立所述电解槽对应的物理模型之后，所述方法还包括：确定所述锌电解过程的初始条件和所述锌电解过程的边界条件。
其中，所述根据所述数学模型和所述物理模型对所述电解槽内的所述锌电解过程进行仿真进一步包括：基于有限体积法，根据所述离散数学模型、所述离散物理模型、所述初始条件和所述边界条件对所述电解槽内的所述锌电解过程进行仿真。
其中，所述根据锌电解过程中电解液在电解槽内的流动状态特征及电解反应体系对应的电解特性，建立所述锌电解过程的数学模型包括：
根据所述电解液在所述电解槽内的流动状态特征，确定所述流动状态特征对应的流动状态特征参数和流动状态约束条件；
根据所述电解槽内的电解反应体系对应的电解特性，确定所述电解特性对应的电解反应参数和电解反应约束条件；
根据所述流动状态特征参数和所述流动状态约束条件，确定所述流动状态特征对应的流动状态特征方程；
根据所述电解反应参数和所述电解反应约束条件，确定所述电解特性对应的Butler-Volmer方程和气体析出反应电流密度计算方程；
根据所述流动状态特征参数、所述流动状态约束条件、所述电解反应参数和所述电解反应约束条件确定UDF函数；
根据所述流动状态特征方程、所述Butler-Volmer方程、所述气体析出反应电流密度计算方程和所述UDF函数，建立所述锌电解过程的数学模型。
其中，所述对所述数学模型和所述物理模型进行离散化处理，获得离散数学模型和离散物理模型包括：对所述物理模型进行网格划分，得到空间网格区域，所述空间网格区域组成离散物理模型；通过控制方程离散技术将所述数学模型在所述空间网格区域上进行离散，获得离散数学模型。
其中，所述确定所述锌电解过程的初始条件和所述锌电解过程的边界条件包括：根据所述锌电解过程的所述流动状态特征，通过所述UDF函数设置所述流动状态特征对应的所述初始条件和所述边界条件；根据所述锌电解过程的所述电解反应体系对应的电解特性，通过所述UDF函数设置所述电解特性对应的所述初始状态参数。
另一方面，本发明提供一种锌电解过程中电解工况的测量系统，包括：第一建模模块、第二建模模块和仿真处理模块。其中，第一建模模块用于根据锌电解过程中电解液在电解槽内的流动状态特征及所述电解槽内的电解反应体系对应的电解特性，建立所述锌电解过程的数学模型；第二建模模块用于等比例建立所述电解槽对应的物理模型；仿真处理模块用于根据所述数学模型和所述物理模型对所述电解槽内的所述锌电解过程进行仿真，获取表征所述锌电解过程的电解工况的工况参数。
进一步的，所述系统还包括离散处理模块，所述离散处理模块用于对所述数学模型和所述物理模型进行离散化处理，获得离散数学模型和离散物理模型。
进一步的，所述系统还包括条件确定模块，所述条件确定模块用于确定所述锌电解过程的初始条件和所述锌电解过程的边界条件。
其中，所述条件确定模块进一步包括第一设置单元和第二设置单元。第一设置单元用于根据所述锌电解过程的所述流动状态特征，通过所述UDF函数设置所述流动状态特征对应的所述初始条件和所述边界条件；第二设置单元用于根据所述锌电解过程的所述电解反应体系对应的电解特性，通过所述UDF函数设置所述电解特性对应的所述初始状态参数。
本发明提供的一种锌电解过程中电解工况的测量方法和系统，通过建立锌电解过程的数学模型和电解槽的物理模型，准确描述了电解液在锌电解过程中的流动状态特征和电解槽内的电解特征。通过对锌电解过程数学模型和物理模型的仿真，获取锌电解过程的工况状态，为锌电解过程的节能优化控制提供了依据。能够有效节约获取锌电解过程工况状态的时间，提高整体效率，提高对锌电解过程进行节能优化控制的适应性；对降低锌电解能耗，提高生产效益有重要的意义。
附图说明
图1为本发明实施例的一种锌电解过程中电解工况的测量方法的流程图；
图2为本发明实施例的一种求解表征锌电解过程工况的工况参数的方法流程图；
图3为本发明实施例的一种建立锌电解过程中数学模型的方法流程图；
图4为本发明实施例的另一种锌电解过程中电解工况的测量方法的流程图；
图5为本发明实施例的一种锌电解过程中电解工况的测量系统的结构示意图；
图6为本发明实施例的另一种锌电解过程中电解工况的测量系统的结构示意图。
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中的附图，对本发明实施例中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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出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。
作为本发明的一种实施例，本实施例提供一种锌电解过程中电解工况的测量方法，参考图1，为本发明实施例的一种锌电解过程中电解工况的测量方法的流程图，包括：
S1，根据锌电解过程中电解液在电解槽内的流动状态特征及所述电解槽内的电解反应体系对应的电解特性，建立所述锌电解过程的数学模型。
具体而言，步骤S1为，在锌电解过程中，电解液在电解槽内流动。当电解槽的结构和电解液在电解槽中的流动状态一定时，电解液的流动状态呈现一定的特征，即电解液的流动状态特征。对于这些流动状态特征，有可以用来表征它们的流动状态特征参数。
根据电解液的流动状态特征，建立流动状态特征参数之间的约束关系，得到表征电解液流动状态特征的流动状态特征方程；根据电解液的流动状态特征，确定流动状态特征参数的取值范围，得到流动状态特征对应的约束条件。
同时，在锌电解过程中，当电解槽内的电解反应体系一定时，该电解反应体系所具有的电解特性也是确定的。对于这些电解特性，有可以用来表述它们的电解特性参数。根据锌电解反应体系的电解特性，建立电解特性参数之间的约束关系和确定电解特性参数的取值范围，得到电解特性对应的方程和约束条件。
根据上述流动状态特征方程、流动状态特征对应的约束条件、电解特性对应的方程和电解特性对应的约束条件进行仿真，得到锌电解过程对应的数学模型。
S2，等比例建立所述电解槽对应的物理模型。
具体而言，步骤S2为，首先获取电解槽的实际尺寸，该实际尺寸可以是生产现场提供的电解槽的详细几何尺寸。然后根据该几何尺寸通过Ansys中的Design Modeler等比例建立电解槽对应的实体模型，该实体模型即为电解槽对应的物理模型。其中，Ansys软件是一种有限元分析软件，Design Modeler是该Ansys软件中的建模功能单元。
S3，根据所述数学模型和所述物理模型对所述电解槽内的所述锌电解过程进行仿真，获取表征所述锌电解过程的电解工况的工况参数。
步骤S3具体为，在上述步骤建立了锌电解过程的数学模型和物理模型之后，通过FLUENT软件，根据锌电解过程的数学模型、物理模型以及已经获取的锌电解过程的初始条件和边界条件，对锌电解过程进行仿真，求解锌电解过程的数学模型得到锌电解过程的电场、流场及浓度场数据。然后根据锌电解过程的电场、流场及浓度场数据，求解表征锌电解过程的电解工况的工况参数。其中，FLUENT软件是基于计算流体动力学方法的求解流动问题的通用软件。
可选的，步骤S3中根据锌电解过程中电场、流场及浓度场数据，求解表征锌电解过程电解工况的工况参数的实现方法可以参考图2，图2为本发明实施例的一种求解锌电解过程电解工况的工况参数的方法流程图，包括：
S31，分析锌电解过程中电场、流场及浓度场的数据，获取电解液中离子浓度、流速、电极反应的电流密度、阴阳极板上的电压和阴极板上析出锌的质量。
步骤S31具体为，对锌电解过程中的电场、流场及浓度场数据进行分析时，首先将电解槽内电解液的流场、电场及浓度场的数据转化为可视化的锌电解过程图像；然后从该可视化的锌电解过程图像中，获取电解液在锌电解过程中的数据，包括速度场、电解液中酸/锌离子浓度的摩尔质量分数、槽电压、阴极板上氢气析出反应的电流密度、锌析出反应的电流密度、阳极上氧气析出反应的电流密度和阴极板析出锌的质量。
S32，根据所述电解液中所述离子浓度、流速、电极反应的电流密度、阴阳极板上的电压和阴极板上析出锌的质量，确定电解槽内电解液的流动状态、电流效率及电解能耗。
步骤S32具体为，电解液的流动状态可以设定为电解液在电解槽内的流动速度；电流效率可以通过电流效率计算方程计算得到；电耗可以通过电解能耗计算方程计算得到。计算公式如下：
(1)电流效率计算方程：
式中，η表示电流效率；表示锌沉积反应的电流密度(A/m2)；iH表示氢气析出反应的电流密度(A/m2)。
(2)电解能耗计算方程：
式中，W表示电解能耗(kW·h/t)；V表示槽电压(V)；η表示电流效率。
本发明实施例通过建立锌电解过程的数学模型和物理模型，并根据所述数学模型和物理模型对所述锌电解过程进行仿真，获取表征锌电解过程工况的工况参数，为锌电解过程的工况评价和锌电解过程的节能优化提供便利。与传统人工处理方法相比，有效节约了时间，提高了效率；且由于不需要进行试验，相较传统方法更经济、更灵活。
进一步的，在所述等比例建立所述电解槽对应的物理模型之后，所述方法还包括：S4，对所述数学模型和所述物理模型进行离散化处理，获得离散数学模型和离散物理模型。
本实施例具体为，在上述实施例建立锌电解过程的数学模型和物理模型之后，对锌电解过程的数学模型和物理模型进行离散化处理，一种可选的处理的流程为：首先通过Ansys中的Meshing对物理模型进行网格划分，得到空间网格区域，所述空间网格区域组成离散物理模型；然后通过控制方程离散技术将数学模型在各空间网格区域上进行离散，获得离散数学模型。其中，Meshing为Ansys软件的划分网格功能单元。
在本发明实施例中，对数学模型进行离散后，该数学模型中方程组中的各个方程得到简化，从而可以快速、准确地对简化后的各个方程进行求解，大大提高了模型的求解速度以及求解得到的数据的准确性。
进一步的，在所述等比例建立所述电解槽对应的物理模型之后，所述方法还包括：S5，确定所述锌电解过程的初始条件和所述锌电解过程的边界条件。
其中，初始条件：在进行瞬态问题数值模拟时，需要设置初始条件。初始条件是所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况，是确定偏微分方程具有唯一解的初值。
边界条件：指在求解与边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时间变化的规律。
本实施例具体为，在设置锌电解过程的初始条件时，需要设置初始时刻整个计算域内的压力、电解液各成分的质量分数及电解液的温度和初始流动速度。同时由于电解液的流场、电场和浓度场之间的耦合关系，还需要设定初始状态下计算域内的温度、阳极板的电势和阴极板上电流密度的大小。在FLUENT软件中初始条件的设定通过计算域初始化功能选项完成。
在设定锌电解过程的边界条件时，主要设置的基本边界条件有：进口边界条件、出口边界条件、给定压力边界和电解槽壁面边界条件、阴极板上发生的电解反应、阳极板上发生的电解反应、阳极板上的电势及阴极板上电流密度的大小。
本发明实施例通过设置对锌电解过程的初始条件和边界条件的设定步骤，实现对不同设定条件下的锌电解过程电解工况的测量，提高了灵活性和适应性。
可选的，步骤S1的具体实现流程可参考图3，图3为本发明实施例的一种建立锌电解过程中数学模型的方法流程图，包括：
S11，根据所述电解液在所述电解槽内的流动状态特征，确定所述流动状态特征对应的流动状态特征参数和流动状态约束条件。
步骤S11具体为，首先根据锌电解过程中电解液在电解槽内的流动状态特征，剖析电解液在电解槽内流动的基本物理过程，所述的基本物理过程如下：
电解液先经过溜槽流入电解槽内；再在电解槽壁和极板的碰撞作用下，实现在极板间的循环流动；最后从电解槽的出口流出。对于锌电解过程，通常认为电解液在电解槽内的流动过程是不可压缩粘性流体带有自由表面的非稳态运动，且该不可压缩粘性流体伴随着热量散失。
然后根据上述电解液在电解槽内流动的基本物理过程，确定流动状态特征对应的流动状态特征参数，所述的流动状态特征参数主要是与流体流动过程相关的已知参数，包括溜槽中电解液的流动速度、电解液的温度、电解液的成分、电解液粘性系数和电解液密度参数。所述的流动状态特征对应的流动状态约束条件为上述各个流动状态特征参数的取值范围。
S12，根据所述电解槽内的电解反应体系对应的电解特性，确定所述电解特性对应的电解反应参数和电解反应约束条件。
步骤S12具体为，首先根据锌电解过程中电解槽内的电解反应体系对应的电解特性，分析电解槽内发生的化学反应。在锌电解过程中，在不考虑杂质的情况下，阴极板上主要进行锌析出和氢气析出的电解反应，其化学方程式如下：
Zn 2++2e＝Zn；
2H++2e＝H2↑；
阳极板上主要发生的是氧气的析出反应，其化学方程式如下：
4OH--4e＝2H2O+O2↑。
然后根据上述化学反应确定所述电解特性对应的电解反应参数，所述的电解反应参数主要是与锌电解反应相关的已知参数，包括：阴极交换系数、阳极交换系数、交换电流密度、平衡电位、化学计量系数和电解反应速率参数。所述的电解特性对应的电解反应约束条件为上述各个电解反应参数的取值范围。
S13，根据所述流动状态特征参数和所述流动状态约束条件，确定所述流动状态特征对应的流动状态特征方程。
步骤S13具体为，首先根据溜槽中电解液的流动速度参数、电解液密度参数及质量守恒定律，确定锌电解过程的连续性方程，如下：
式中，ρ为锌电解液密度(kg/m3)；i为三维直角坐标系下的坐标方向；xi为电解液在i方向上的位移分量(m)；μi为电解液在i方向上的速度分量(m/s)；t为时间(s)。
其次，根据电解液的流动速度、电解液粘性系数、电解液密度、电解液内部压强及动量守恒定律，确定锌电解过程的动量守恒方程，如下：
式中，ρ为锌电解液密度(kg/m3)；i、j为三维直角坐标系下的坐标方向；xi、xj分别为电解液在i、j方向上的位移分量(m)；μi、μj分别为电解液在i、j方向上的速度分量(m/s)；t为时间(s)；p为电解液内部压强(Pa)；fμfe为锌电解液的有效粘度，μeff为μ与μt之和；其中μ为锌电解液对应的分子动力学粘度(Pa·S)；μt为湍流动力粘度(Pa·S)。
再次，根据电解液的流动速度、电解液的温度、电解液的成分、电解液粘性系数、电解液密度和能量守恒定律，确定锌电解过程的能量守恒方程，如下：
式中，ρ为锌电解液密度(kg/m3)；i为三维直角坐标系下的坐标方向；xi为电解液在i方向上的位移分量(m)；μi为电解液在i方向上的速度分量(m/s)；t为时间(s)；keff为锌电解液对应的导热率(W/(m·K))；H为锌电解液对应的显焓(J/mol)；T为电解液温度(K)。
最后，由于通常认为锌电解过程中电解液在电解槽内的流动过程是不可压缩粘性流体带有自由表面的非稳态运动，则对于不可压缩的锌电解液，上述锌电解液的湍流模型k-ε方程如下：
湍流动能方程：
湍流耗散率方程：
上述锌电解液的湍流模型k-ε方程式中，t为时间(s)；i、j为三维直角坐标系下的坐标方向；xi、xj分别为电解液在i、j方向上的位移分量(m)；μi为电解液在i方向上的速度分量(m/s)；ρ为锌电解液密度(kg/m3)；μ为锌电解液对应的分子动力学粘度(Pa·S)；μt为湍流动力粘度(Pa·S)；k为锌电解液的湍动能(m2/s2)；ε为锌电解液的湍流耗散率(m2/s3)；σk和σε分别为k和ε的湍流Prandtl数；C1ε、C2ε、σk和σε为模型常数，在标准k-ε模型中，根据Launder等的推荐值及后来的实验验证，C1ε的值为1.44，C2ε的值为1.92，σk的值为1.0，σε的值为1.33；G为由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项，G用等式可以表述为：
式中，i、j为三维直角坐标系下的坐标方向；xi、xj分别为电解液在i、j方向上的位移分量(m)；μi、μj分别为电解液在i、j方向上的速度分量(m/s)；μt是湍流动力粘度(Pa·S)。
S14，根据所述电解反应参数和所述电解反应约束条件，确定所述电解特性对应的Butler-Volmer方程和气体析出反应电流密度计算方程。
其中，Butler-Volmer方程：用于表示锌电解过程中锌沉积反应的电流密度与过电势之间关系的方程；
气体析出反应电流密度计算方程：用于计算锌电解过程中阴、阳电极上气体析出反应的电流密度的方程。
步骤S14具体为，首先根据锌电解槽内的电解反应体系对应的电解特性和该电解特性对应的电解反应参数，确定该电解特性对应的Butler-Volmer方程，如下：
式中，为锌析出反应电流密度(A/m2)；为锌析出反应的交换电流密度(A/m2)；为极板间电解液中的锌离子浓度(mol/L)；为阴极板表面的锌离子浓度(mol/L)；为锌析出反应的物质转移系数；为锌析出反应的过电势(V)；为锌析出反应转移的电子数；F为法拉第常数(C/mol)；R为标准气体常数(J/(mol·K))；T为电解液温度(K)。
其次，根据锌电解反应中阴电极上发生的氢气析出反应，确定锌电解反应对应的如下阴极氢气析出反应电流密度计算方程；根据阳电极上发生的氧气析出反应，确定如下阳极氧气析出反应电流密度计算方程。
(1)阴极氢气析出反应电流密度计算方程：
式中，为氢气析出反应电流密度(A/m2)；io,H为氢气析出反应的交换电流密度(A/m2)；αH为氢气析出反应的物质转移系数；ηH为氢气析出反应的过电势(V)；nH为氢气析出反应转移的电子数；F为法拉第常数(C/mol)；R为标准气体常数(J/(mol·K))；T为电解液温度(K)。
(2)阳极氧气析出反应电流密度计算方程：
式中，为氧气析出反应电流密度(A/m2)；io,O为氧气析出反应的交换电流密度(A/m2)；αO为氧气析出反应的物质转移系数；ηO为氧气析出反应的过电势(V)；nO为氧气析出反应转移的电子数；F为法拉第常数(C/mol)；R为标准气体常数(J/(mol·K))；T为电解液温度(K)。
S15，根据所述流动状态特征参数、所述流动状态约束条件、所述电解反应参数和所述电解反应约束条件确定UDF函数。
其中，用户自定义(User Defined Function,UDF)函数：通过仿真软件设置的自定义函数，用于设置所述流动状态特征对应的所述初始条件和所述边界条件以及所述电解特性对应的初始状态参数。
步骤S15具体为，根据上述流动状态特征参数、电解反应参数及各流动状态特征参数和各电解反应参数的取值范围，设定UDF函数，该UDF函数中对上述各参数和各参数的取值范围，以及电解液的初始速度、初始物质的质量分数及电解槽各个壁面的边界条件进行设置。
S16，根据所述流动状态特征方程、所述Butler-Volmer方程、所述气体析出反应电流密度计算方程和所述UDF函数，建立所述锌电解过程的数学模型。
步骤S16具体为，要实现对电解液在电解槽内的锌电解过程的三维仿真，需要将整个锌电解过程描述为若干个基本过程，根据研究问题的性质和精度，分别建立各基本方程中各个变量之间的数学式，即上述连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程、湍流模型k-ε方程、Butler-Volmer方程、气体析出反应电流密度计算方程和UDF函数。
将上述连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程、湍流模型k-ε方程、Butler-Volmer方程、气体析出反应电流密度计算方程和UDF函数综合起来，得到锌电解过程的方程组，将该方程组及该方程组对应的约束条件组成的三维仿真模型作为锌电解过程的数学模型。
本实施例中通过剖析锌电解过程的流动状态特征和电解反应体系的电解特性，确定锌电解过程的流动状态特征方程和电解特性方程，以及方程中各参数的约束条件，通过对这些方程和约束条件进行三维仿真，得到锌电解过程的数学模型，为后续处理流程奠定基础。
可选的，根据上述实施例，步骤S5中所述确定所述锌电解过程的初始条件和所述锌电解过程的边界条件的实现流程包括：
S51，根据所述锌电解过程的所述流动状态特征，通过所述UDF函数设置所述流动状态特征对应的所述初始条件和所述边界条件。
步骤S51具体为，根据锌电解过程的流动状态特征，通过FLUENT软件设置UDF函数，在确定锌电解过程初始条件时，通过UDF函数设置初始时刻整个计算域内的压力、电解液各成分的质量分数、电解液的温度和初始流动速度。同时由于流场、电场和浓度场的耦合计算，还需要设定初始状态下计算域内的温度、阴极板电流密度的大小和阳极板上的电势。
在确定锌电解过程边界条件时，通过UDF函数设置流动状态特征对应的基本边界条件，包括：进口边界条件、出口边界条件、给定压力边界和电解槽壁面边界条件、阴极板上发生的电解反应、阳极板上发生的电解反应、阳极板上的电势及阴极板上电流密度的大小。
S52，根据所述锌电解过程的所述电解反应体系对应的电解特性，通过所述UDF函数设置所述电解特性对应的所述初始状态参数。
步骤S52具体为，根据所述锌电解过程的所述电解反应体系对应的电解特性，通过UDF函数对锌电解反应的阴极交换系数、阳极交换系数、交换电流密度、平衡电位、化学计量系数和电解反应速率参数进行设置。
本实施例中通过仿真软件设置UDF函数，并通过UDF函数分别对流动状态特征和电解反应体系对应的电解特性的初始条件和边界条件进行设置，实现对锌电解过程数学模型求解的初始化限定和约束条件限定。
根据上述实施例，所述根据所述数学模型和所述物理模型对所述电解槽内的所述锌电解过程进行仿真进一步包括：基于有限体积法，根据所述离散数学模型、所述离散物理模型、所述初始条件和所述边界条件对所述电解槽内的所述锌电解过程进行仿真。参考图4，为本发明实施例的另一种锌电解过程中电解工况的测量方法的流程图，包括：
S1，根据锌电解过程中电解液在电解槽内的流动状态特征及所述电解槽内的电解反应体系对应的电解特性，建立所述锌电解过程的数学模型。
S2，等比例建立所述电解槽对应的物理模型。
S4，对所述数学模型和所述物理模型进行离散化处理，获得离散数学模型和离散物理模型。
S5，确定所述锌电解过程的初始条件和所述锌电解过程的边界条件。
S6，基于有限体积法，根据所述离散数学模型、所述离散物理模型、所述初始条件和所述边界条件对所述电解槽内的所述锌电解过程进行仿真，获取表征所述锌电解过程的电解工况的工况参数。
其中，步骤S2、步骤S4和步骤S5的具体说明与上述实施例相同，可参考上述实施例，此处不再赘述。
步骤S1的具体说明参考上述实施例，此外由于要进行步骤4，即对所述数学模型和所述物理模型进行离散化处理，在进行锌电解过程流动状态特征方程建立的时候，还包括建立锌电解过程的流体体积(Volume of Fluid,VOF)方程，VOF方程表示流体的体积分数分布和自由表面运动。相应的，锌电解过程的流动状态特征方程包括VOF方程。
步骤S6具体为，在上述步骤对锌电解过程的数学模型和物理模型进行离散化处理，并对锌电解过程的初始条件和边界条件进行设置之后，通过FLUENT软件，基于FLUENT软件的有限体积法，根据所述离散化处理获取的锌电解过程的离散数学模型、离散物理模型以及设置的锌电解过程的初始条件和边界条件，对锌电解过程进行仿真，求解锌电解过程的经离散化处理的数学模型得到锌电解过程的电场、流场及浓度场数据。然后根据锌电解过程的电场、流场及浓度场数据，求解表征锌电解过程的电解工况的工况参数。其中，FLUENT软件是基于计算流体动力学方法的求解流动问题的通用软件。
本发明实施例通过设置对锌电解过程的数学模型和物理模型进行离散化处理，以及对锌电解过程的初始条件和边界条件的设定步骤，使方程组中各个方程得到简化，从而可以快速、准确地对简化后的各个方程进行求解，大大提高了模型的求解速度以及求解得到的数据的准确性。同时可以实现对不同设定条件下的锌电解过程电解工况的测量，提高了灵活性和适应性。
作为本发明的另一种实施例，本实施例提供一种锌电解过程中电解工况的测量系统，参考图5。图5为本发明实施例的一种锌电解过程中电解工况的测量系统的结构示意图，包括第一建模模块1、第二建模模块2和仿真处理模块3，其中：
第一建模模块1用于根据锌电解过程中电解液在电解槽内的流动状态特征及所述电解槽内的电解反应体系对应的电解特性，建立所述锌电解过程的数学模型；第二建模模块2用于等比例建立所述电解槽对应的物理模型；仿真处理模块3用于根据所述数学模型和所述物理模型对所述电解槽内的所述锌电解过程进行仿真，获取表征所述锌电解过程的电解工况的工况参数。
具体而言，本实施例为，第一建模模块1首先对锌电解过程中电解液在电解槽内的流动状态特征及所述电解槽内的电解反应体系对应的电解特性进行分析。在锌电解过程中，电解液在电解槽内流动。当电解槽的结构和电解液在电解槽中的流动状态一定时，电解液的流动状态呈现一定的特征，即电解液的流动状态特征。对于这些流动状态特征，有可以用来表征它们的流动状态特征参数。
同时，在锌电解过程中，当电解槽内的电解反应体系一定时，该电解反应体系所具有的电解特性也是确定的。对于这些电解特性，有可以用来表述它们的电解特性参数。
然后第一建模模块1根据电解液的流动状态特征，建立流动状态特征参数之间的约束关系，得到表征电解液流动状态特征的流动状态特征方程；根据电解液的流动状态特征，确定流动状态特征参数的取值范围，得到流动状态特征对应的约束条件。
同时，第一建模模块1根据锌电解反应体系的电解特性，建立电解特性参数之间的约束关系和确定电解特性参数的取值范围，得到电解特性对应的方程和约束条件。
最后第一建模模块1根据上述流动状态特征方程、流动状态特征对应的约束条件、电解特性对应的方程和电解特性对应的约束条件进行仿真，得到锌电解过程对应的数学模型。
第二建模模块2首先获取电解槽的实际尺寸，该实际尺寸可以是生产现场提供的电解槽的详细几何尺寸。然后第二建模模块2根据获取的几何尺寸通过Ansys中的DesignModeler等比例建立电解槽对应的实体模型，该实体模型即为电解槽对应的物理模型。其中，Ansys软件是一种有限元分析软件，Design Modeler是该Ansys软件中的建模功能单元。
在上述第一建模模块1建立了锌电解过程的数学模型和第二建模模块2建立了锌电解过程的物理模型之后，仿真处理模块3通过FLUENT软件，根据锌电解过程的数学模型、物理模型以及已经获取的锌电解过程的初始条件和边界条件，对锌电解过程进行仿真，求解锌电解过程的数学模型得到锌电解过程的电场、流场及浓度场数据。然后仿真处理模块3根据锌电解过程的电场、流场及浓度场数据，求解表征锌电解过程的电解工况的工况参数。其中，FLUENT软件是基于计算流体动力学方法的求解流动问题的通用软件。
本发明实施例产生的有益效果与上述方法类实施例相同，可参考上述方法类实施例，此处不再赘述。
进一步的，在上述实施例的基础上，所述系统还包括：离散处理模块4，用于对所述数学模型和所述物理模型进行离散化处理，获得离散数学模型和离散物理模型。
本实施例具体为，根据上述实施例第一建模模块1建立锌电解过程数学模型、第二建模模块2建立电解槽对应的物理模型之后，离散处理模块4对所述的数学模型和物理模型进行离散化处理。
离散处理模块4对锌电解过程的物理模型和数学模型进行离散化处理时，首先通过Ansys中的Meshing对物理模型进行网格划分，得到空间网格区域，所述空间网格区域组成离散物理模型；然后通过控制方程离散技术将数学模型在各空间网格区域上进行离散，获得离散数学模型。其中，Meshing为Ansys软件的划分网格功能单元。
本发明实施例产生的有益效果与上述方法类实施例效果相同，可以参考上述方法类实施例，此处不再赘述。
进一步的，在上述实施例的基础上，所述系统还包括：条件确定模块5，用于确定所述锌电解过程的初始条件和所述锌电解过程的边界条件。
其中，初始条件和边界条件的具体说明与上述方法类实施例效果相同，可以参考上述方法类实施例，此处不再赘述。
具体而言，本实施例为，条件确定模块5首先要进行锌电解过程的初始条件和边界条件的分析，然后在设置锌电解过程的初始条件时，条件确定模块5需要设置初始时刻整个计算域内的压力、电解液各成分的质量分数及电解液的温度和初始流动速度。同时由于电解液的流场、电场和浓度场之间的耦合关系，条件确定模块5还需要设定初始状态下计算域内的温度、阳极板上的电势和阴极板上电流密度的大小。在FLUENT软件中初始条件的设定通过计算域初始化功能选项完成。
在设定锌电解过程的边界条件时，条件确定模块5主要设置的基本边界条件有：进口边界条件、出口边界条件、给定压力边界和电解槽壁面边界条件、阴极板上发生的电解反应、阳极板上发生的电解反应、阳极板上的电势及阴极板上电流密度的大小。
本发明实施例产生的有益效果与上述方法类实施例效果相同，可以参考上述方法类实施例，此处不再赘述。
其中，根据上述实施例，若第一建模模块1在建立锌电解过程的数学模型时，设置了UDF函数，则条件确定模块5进一步包括第一设置单元和第二设置单元，其中：
第一设置单元，用于根据所述锌电解过程的流动状态特征，通过UDF函数设置所述流动状态特征对应的所述初始条件和所述边界条件；第二设置单元，用于根据所述锌电解过程的电解反应体系对应的电解特性，通过UDF函数设置锌电解过程中电解特性数学模型的各项参数。
其中，UDF函数的具体说明与上述方法类实施例效果相同，可以参考上述方法类实施例，此处不再赘述。
具体而言，本实施例为，第一设置单元在确定锌电解过程初始条件时，需要通过UDF函数设置初始时刻整个计算域内的压力、电解液各成分的质量分数、电解液的温度和初始流动速度。同时由于流场、电场和浓度场的耦合计算，第一设置单元还需要设定初始状态下计算域内的温度、阳极板上的电势和阴极板上电流密度的大小。
第一设置单元在确定锌电解过程边界条件时，需要通过UDF函数设置的基本边界条件有进口边界条件、出口边界条件、给定压力边界和电解槽壁面边界条件、阴极板上发生的电解反应、阳极板上发生的电解反应、阳极板上的电势及阴极板上电流密度的大小。
第二设置单元在确定锌电解过程初始条件时，需要通过UDF函数设置锌电解反应的阴极交换系数、阳极交换系数、交换电流密度、平衡电位、化学计量系数和电解反应速率参数。
本实施例产生的技术效果与上述方法实施例相同，可参考上述方法实施例，此处不再赘述。
参考图6，为本发明实施例的另一种锌电解过程中电解工况的测量系统的结构示意图，包括第一建模模块1、第二建模模块2、仿真处理模块3、离散处理模块4和条件确定模块5，其中：
第一建模模块1用于根据锌电解过程中电解液在电解槽内的流动状态特征及所述电解槽内的电解反应体系对应的电解特性，建立所述锌电解过程的数学模型；第二建模模块2用于等比例建立所述电解槽对应的物理模型；仿真处理模块3用于根据所述数学模型和所述物理模型对所述电解槽内的所述锌电解过程进行仿真，获取表征所述锌电解过程的电解工况的工况参数；离散处理模块4用于对所述数学模型和所述物理模型进行离散化处理，获得离散数学模型和离散物理模型；条件确定模块5用于确定所述锌电解过程的初始条件和所述锌电解过程的边界条件。
其中第二建模模块2、离散处理模块4和条件确定模块5的具体说明与上述实施例相同，可以参考上述实施例，此处不再赘述。
第一建模模块1的具体说明参考上述实施例，此外由于离散处理模块4对锌电解过程的数学模型和物理模型进行离散化处理，第一建模模块1在进行锌电解过程流动状态特征方程建立的时候，还包括建立锌电解过程的流体体积(Volume of Fluid,VOF)方程，VOF方程表示流体的体积分数分布和自由表面运动。相应的，锌电解过程的流动状态特征方程包括VOF方程。
仿真处理模块3的具体说明参考上述实施例，此外在上述离散处理模块4对锌电解过程的数学模型和物理模型进行离散化处理，且条件确定模块5对锌电解过程的初始条件和边界条件进行设置之后，仿真处理模块3通过FLUENT软件，基于FLUENT软件的有限体积法，根据所述离散化处理获取的锌电解过程的离散数学模型、离散物理模型以及设置的锌电解过程的初始条件和边界条件，对锌电解过程进行仿真，并求解锌电解过程的经离散化处理的数学模型得到锌电解过程的电场、流场及浓度场数据。然后仿真处理模块3根据锌电解过程的电场、流场及浓度场数据，求解表征锌电解过程的电解工况的工况参数。其中，FLUENT软件是基于计算流体动力学方法的求解流动问题的通用软件。
本实施例产生的技术效果与上述方法实施例相同，可参考上述方法实施例，此处不再赘述。
综上所述，本发明实施例提供的一种锌电解过程中电解工况的测量方法与系统，通过建立锌电解过程的数学模型和电解槽的物理模型，准确描述了电解液在锌电解过程中的流动状态特征和电解反应特征。通过对锌电解过程数学模型和物理模型的仿真，获取锌电解过程的工况状态，为锌电解过程的节能优化控制提供了依据。能够有效节约获取锌电解过程工况状态的时间，提高整体效率，提高对锌电解过程进行节能优化控制的适应性；对降低锌电解能耗，提高生产效益有重要的意义。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种锌电解过程中电解工况的测量方法，其特征在于，包括：
根据锌电解过程中电解液在电解槽内的流动状态特征及所述电解槽内的电解反应体系对应的电解特性，建立所述锌电解过程的数学模型；
等比例建立所述电解槽对应的物理模型；
根据所述数学模型和所述物理模型对所述电解槽内的所述锌电解过程进行仿真，获取表征所述锌电解过程的电解工况的工况参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述等比例建立所述电解槽对应的物理模型之后，还包括：
对所述数学模型和所述物理模型进行离散化处理，获得离散数学模型和离散物理模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述等比例建立所述电解槽对应的物理模型之后，还包括：
确定所述锌电解过程的初始条件和所述锌电解过程的边界条件。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述数学模型和所述物理模型对所述电解槽内的所述锌电解过程进行仿真进一步包括：
基于有限体积法，根据所述离散数学模型、所述离散物理模型、所述初始条件和所述边界条件对所述电解槽内的所述锌电解过程进行仿真。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据锌电解过程中电解液在电解槽内的流动状态特征及电解反应体系对应的电解特性，建立所述锌电解过程的数学模型包括：
根据所述电解液在所述电解槽内的流动状态特征，确定所述流动状态特征对应的流动状态特征参数和流动状态约束条件；
根据所述电解槽内的电解反应体系对应的电解特性，确定所述电解特性对应的电解反应参数和电解反应约束条件；
根据所述流动状态特征参数和所述流动状态约束条件，确定所述流动状态特征对应的流动状态特征方程；
根据所述电解反应参数和所述电解反应约束条件，确定所述电解特性对应的Butler-Volmer方程和气体析出反应电流密度计算方程；
根据所述流动状态特征参数、所述流动状态约束条件、所述电解反应参数和所述电解反应约束条件确定UDF函数；
根据所述流动状态特征方程、所述Butler-Volmer方程、所述气体析出反应电流密度计算方程和所述UDF函数，建立所述锌电解过程的数学模型。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述数学模型和所述物理模型进行离散化处理，获得离散数学模型和离散物理模型包括：
对所述物理模型进行网格划分，得到空间网格区域，所述空间网格区域组成离散物理模型；
通过控制方程离散技术将所述数学模型在所述空间网格区域上进行离散，获得离散数学模型。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述确定所述锌电解过程的初始条件和所述锌电解过程的边界条件包括：
根据所述锌电解过程的所述流动状态特征，通过所述UDF函数设置所述流动状态特征对应的所述初始条件和所述边界条件；
根据所述锌电解过程的所述电解反应体系对应的电解特性，通过所述UDF函数设置所述电解特性对应的所述初始状态参数。
8.一种锌电解过程中电解工况的测量系统，其特征在于，包括：
第一建模模块，用于根据锌电解过程中电解液在电解槽内的流动状态特征及所述电解槽内的电解反应体系对应的电解特性，建立所述锌电解过程的数学模型；
第二建模模块，用于等比例建立所述电解槽对应的物理模型；
仿真处理模块，用于根据所述数学模型和所述物理模型对所述电解槽内的所述锌电解过程进行仿真，获取表征所述锌电解过程的电解工况的工况参数。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
离散处理模块，用于对所述数学模型和所述物理模型进行离散化处理，获得离散数学模型和离散物理模型。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
条件确定模块，用于确定所述锌电解过程的初始条件和所述锌电解过程的边界条件。
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