CN113722963B - 基于超声波空化的磷酸铁锂回收试验仿真模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超声波空化的磷酸铁锂回收试验仿真模拟方法，包括以下步骤：步骤S1:构建基于超声波的磷酸铁锂回收试验系统；步骤S2:根据基于超声波的磷酸铁锂回收试验系统，采用ANSYS‑ICEM建立二维仿真模型；步骤S3:对步骤S2得到的二维仿真模型进行简化处理；步骤S4:对简化后的二维仿真模型进行网格划分，并建立几何关联，得到对应的几何模型；步骤S5:在Fluent中导入几何模型后再导入udf模型，并进行边界条件及动网格设置，最后对设置完成简化后的二维仿真模型进行求解；步骤S6:将得到的解决结果导出，用于调用查看。本发明生成气相云图动画，可以观察到空化的分布区域，以及空化随着时间的实时变化情况。

Description

基于超声波空化的磷酸铁锂回收试验仿真模拟方法

技术领域

本发明涉及仿真试验领域，具体涉及一种基于超声波空化的磷酸铁锂回收试验仿真模拟方法。

背景技术

高工产研锂电研究所（GGII）调研数据显示，2020年前三季度中国正极材料市场出货量33万吨，同比增长12%。其中，磷酸铁锂出货7.6万吨，同比增长23%。由于运用广泛，在磷酸铁锂电池到达了报废期高潮后，如何有效处理这些废弃的磷酸铁锂电池成为了一个亟待解决的难题。传统回收试验方法会产生各种物资消耗。目前国内未有文献和专利采用fluent对磷酸铁锂回收试验进行仿真模拟。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于超声波空化的磷酸铁锂回收试验仿真模拟方法，生成气相云图动画，可以观察到空化的分布区域，以及空化随着时间的实时变化情况，提供更直观的试验指导，提高指导质量和效率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于超声波空化的磷酸铁锂回收试验仿真模拟方法，包括以下步骤：

步骤S1:构建基于超声波的磷酸铁锂回收试验系统；

步骤S2:根据基于超声波的磷酸铁锂回收试验系统，采用ANSYS-ICEM建立二维仿真模型；

步骤S3:对步骤S2得到的二维仿真模型进行简化处理；

步骤S4:对简化后的二维仿真模型进行网格划分，并建立几何关联，得到对应的几何模型；

步骤S5:在Fluent中导入几何模型后再导入 udf模型，并进行边界条件及动网格设置，最后对设置完成简化后的二维仿真模型进行求解；

步骤S6:将得到的解决结果导入tecplot后处理软件中，生成气相云图动画。

进一步的，所述基于超声波的磷酸铁锂回收试验系统，包括超声波振子与不锈钢容器焊接形成的分体式超声波换能器，超声波发生器，玻璃容器；所述超声波换能器与超声波发生器连接，将电能转换为机械能；所述超声波换能器置于玻璃容器中。

进一步的，所述步骤S3具体为：将二维仿真模型进行简化，简化部分为超声波换能器振子结构，得到简化后的二维仿真模型。

进一步的，所述步骤S5fluent参数设置，具体为：

（1）在General的solver设置下面选择Pressure-Based，Time选择Transient，其它默认。

（2）Models打开多相流模型。在 Viseous Model中选 择 k 一￡模 型 ，同时选择Standardk 一￡ Model，在近壁处理中选择 Standard Wall Functions ，其他默认。

（3）在 Fluent Database 中选出液态水和水蒸气 ，其各个物理量值均默认 ；设置液态水为主相，水蒸汽为次相；同时，在两相相互作用中加入空化模型；

（4）设置边界条件，该模型中除了与大气相通处为压力入口边界外，其余均为壁面边界。对于壁面边界的设置保持默认，总压和静压均输入为0，湍流参数设置SpeeifleationM ethod 选用IntensityandV iseosity Ratio ，其值分别设置为 0.5 和5；将 Volum eFraetions (体积分率 )选项组中的水蒸气指定为0；

(5)采用边界型函数或者UDF来定义边界的运动方式，完成动网格设置：

其中振子位移方程为正弦方程，因此结合超声波发生器的工作参数，对动边界的设置如下：

动边界的位移方程为：

其中，a=70μm，f=40KHZ，t为运行时间。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明生成气相云图动画，可以观察到空化的分布区域，以及空化随着时间的实时变化情况，提供更直观的试验指导，提高指导质量和效率。

附图说明

图1是本发明一实施例中二维模型示意图；

图2是本发明一实施例中动网格参数设置；

图3是本发明一实施例中求解器设置和计算设置；

图4是本发明一实施例中不同温度的气相云图；

图5是本发明一实施例中不同频率的气象云图；

图6是本发明一实施例中脱落前与脱落后的对比；

图中，1-左边壁面，2-入口，3-右边壁面，4-底部壁面1，5-变形壁面1，6-动边界，7-变形壁面2，8-底部壁面2。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图1，本发明提供一种基于超声波空化的磷酸铁锂回收试验仿真模拟方法，包括以下步骤：

步骤S1:构建基于超声波的磷酸铁锂回收试验系统；

步骤S2:根据基于超声波的磷酸铁锂回收试验系统，采用ANSYS-ICEM建立二维仿真模型；

步骤S3:对步骤S2得到的二维仿真模型进行简化处理；

步骤S4:对简化后的二维仿真模型进行网格划分，并建立几何关联，得到对应的几何模型；

步骤S5:在Fluent中导入几何模型后再导入 udf模型，并进行边界条件及动网格设置，最后对设置完成简化后的二维仿真模型进行求解；

步骤S6:将得到的解决结果导入tecplot后处理软件中，生成气相云图动画。

在本实施例中，基于超声波的磷酸铁锂回收试验系统，包括超声波振子与不锈钢容器焊接形成的分体式超声波换能器，超声波发生器，玻璃容器；所述超声波换能器与超声波发生器连接，将电能转换为机械能；将超声波换能器置于玻璃缸中，添加水位至玻璃缸容器2/3处，开启超声波发生器。

在本实施例中，将二维仿真模型进行简化，简化部分为超声波换能器振子结构，得到简化后的二维仿真模型。超声波振子与不锈钢容器焊接形成的分体式超声波换能器，原为三维长方体结构，且上方有圆柱结构（圆柱内部为电线），如图1所示。简化后为二维平面结构。

在本实施例中，建立关联的主要目的在于将虚拟block上的数据映射至真实的物理几何上。本模型采用了点关联和线关联。进入关联面板的操作【blocking】-【Associate】,点击标签中的点关联，待每个点关联完毕后，选择线关联，将每条线进行关联。

在本实施例中，fluent计算参数的设置如下所示：

（1）在General的solver设置下面选择Pressure-Based（压力基），Time选择Transient（瞬态），其它默认。

（2）Models打开多相流模型。在 Viseous Model中选 择 k 一￡模 型 ，同时选择Standardk 一￡ Model(标 准 k 一e模 型 ) ，在近壁处理中选择 Standard WallFunctions (标准壁面函数 ) ，其他默认。

（3）在 Fluent Database 中选出液态水和水蒸气 ，其各个物理量值均默认 。设置液态水为主相，水蒸汽为次相。同时，在两相相互作用中加入空化模型。

（4）设置边界条件，该模型中除了与大气相通处为压力入口边界外，其余均为壁面边界。对于壁面边界的设置保持默认，总压和静压均输入为0，湍流参数设置SpeeifleationMethod 选用IntensityandV iseosity Ratio ，其值分别设置为 0.5 和5 。将 VolumeFraetions (体积分率 )选项组中的水蒸气指定为0。

(5)导入编译型udf：

#include "udf.h"

#include "mem.h"

#include "dynamesh_tools.h"

#include "math.h"

#define PI 3.1415926536

DEFINE_CG_MOTION(grid,dt,vel,omega,time,dtime)

{

real amplitude = 0.00007;

real f=40000;

real w;

w=2*PI*f;

vel[1] =amplitude*w*cos(w*time);

}

(6 ) 设置动网格

（7）求解器设置和计算设置。

结合超声波发生器的工作参数，对moving-wall的设置如下：

在Dynamic Mesh中采用smoothing和Layering，其它设置为默认。将deform1、deform2、设置成 deforming， left-wall与right-wall设置成Rigid Body，moving-wall设置为Rigid Body后，在Motion UDF下面选择moving-wall：libudf。

求解器设置和计算设置。

scheme选用simple,spatial discretixation选用least squares cell based

pressure选用presto！momentum选用first order upwind volume fraction选用first order upwind将迭代步数numeber of steps设置为500步，时间步长time stepsizes设置为1e-7,得到收敛解。

在本实施例中，将fluent求解结果导入tecplot后处理软件中，生成气相云图动画，可以观察到空化的分布区域，以及空化随着时间的变化情况。模拟结果与试验结果吻合。

参考图4-6，在本实施例中，气相云图中红色部分表示水，蓝色部分表示气。中间区域含汽率变化明显，此处则为空化的主要发生区域。由此可说明试验中磷酸铁锂的布置位置合理。将流体温度设置为273K，300K，327K，354K，381K。如图4所示，温度为273K和300K空化效率较高， 当温度超出300K时，随着温度的升高，含汽率降低。

通过气相云图5可以得出，频率为40KHZ的时候空化效率最高，最有利于磷酸铁锂的脱落。当频率超过40KHZ时，超声波频率越高，空化越难发生。

将模拟得出的最佳结论运用于试验中。设置最佳试验参数温度为300K，频率为40KHZ，功率为80W，此时脱落效率达到了77.77%。脱落前与脱落后的对比如图6所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (1)

1.一种基于超声波空化的磷酸铁锂回收试验仿真模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1:构建基于超声波的磷酸铁锂回收试验系统；

步骤S2:根据基于超声波的磷酸铁锂回收试验系统，采用ANSYS-ICEM建立二维仿真模型；

步骤S3:对步骤S2得到的二维仿真模型进行简化处理；

步骤S4:对简化后的二维仿真模型进行网格划分，并建立几何关联，得到对应的几何模型；

步骤S5:在Fluent中导入几何模型后再导入udf模型，并进行边界条件及动网格设置，最后对设置完成简化后的二维仿真模型进行求解；

步骤S6:将得到的解决结果导入tecplot后处理软件中，生成气相云图动画；所述基于超声波的磷酸铁锂回收试验系统，包括超声波振子与不锈钢容器焊接形成的分体式超声波换能器，超声波发生器，玻璃容器；所述超声波换能器与超声波发生器连接，将电能转换为机械能；所述超声波换能器置于玻璃容器中；

所述步骤S3具体为：将二维仿真模型进行简化，简化部分为超声波换能器振子结构，得到简化后的二维仿真模型；

步骤S5fluent参数设置，具体为：

(1)在General的solver设置下面选择Pressure-Based，Time选择Transient，其它默认；

(2)Models打开多相流模型；在Viseous Model中选择k一￡模型，同时选择Standardk一￡Model，在近壁处理中选择StandardWall Functions，其他默认；

(3)在Fluent Database中选出液态水和水蒸气，其各个物理量值均默认；设置液态水为主相，水蒸气为次相；同时，在两相相互作用中加入空化模型；

(4)设置边界条件，该模型中除了与大气相通处为压力入口边界外，其余均为壁面边界；对于壁面边界的设置保持默认，总压和静压均输入为0，湍流参数设置SpeeifleationMethod选用IntensityandV iseosity Ratio，其值分别设置为0.5和5；将体积分率VolumeFraetions选项组中的水蒸气指定为0；

(5)采用边界型函数或者UDF来定义边界的运动方式，完成动网格设置：

其中振子位移方程为正弦方程，因此结合超声波发生器的工作参数，对动边界的设置如下：

动边界的位移方程为：

V＝2πf×acos(2πf×t)

其中，a＝70μm，f＝40KHZ，t为运行时间。