【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及超声模拟仿真湿法冶金，特别涉及一种优化多源超声强化湿法冶金布阵方法。
技术介绍
1、目前超声波在湿法冶金反应过程中的作用机理尚未完全探明。从工业生产的角度出发，目前的超声设备难以完全满足实际生产需求。为不断完善和推广超声波在湿法冶金领域中的应用，开展超声波强化机理、工艺装备、工艺参数等方面的研究，实现超声设备大型化、工业化，因此研制高耐蚀长寿命超声装备、探明超声强化过程的作用机理成为了现阶段的研究重点。为进一步阐明超声波作用机理，确定最优工艺条件、完善超声换能器的布阵方式及反应腔体的优化，基于数值模拟仿真软件，对超声强化提取、除杂及还原等过程进行仿真计算，建立超声强化过程中声场分布特性的评价指标，对不同参数下声场分布特性进行研究，将不同工作模式下超声设备物理场的分布状况可视化，是目前解决这一难题行之有效的方法之一。
2、湿法冶金实验中利用超声换能器来传递声能量，对反应体系进行搅拌、混合和增强传质，不同的超声换能器功率、频率、探头直径及不同超声换能器布阵，对超声强化湿法冶金过程中声场的分布特性有不同程度的影响，但超声强化湿法冶金过程中声场的数值模拟研究还未见详细报道。采用数值模拟的方法对超声强化湿法冶金中不同的超声换能器功率、不同的超声换能器频率、不同的超声换能器探头直径及不同超声换能器布阵下的声场声压的变化及分布规律进行研究，是预测和直观呈现超声作用行之有效的方法。
技术实现思路
1、为解决现有技术存在的问题，本专利技术提出一种优化多源超声强化湿法冶金布阵
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：提供一种优化多源超声强化湿法冶金布阵方法，其包括如下步骤：
3、在comsol仿真系统中构建超声强化湿法冶金实验的三维模型，并设定超声强化湿法冶金实验的结构参数及操作参数；所述三维模型中包含一个反应腔体及多个超声换能器；
4、定义超声强化湿法冶金实验的物理场以及边界条件；
5、根据超声的固有特性对超声强化湿法冶金实验的三维模型进行网格划分；
6、使用参数化求解器和mumps稳态求解器在频率域中对超声强化湿法冶金实验的三维模型进行求解，同时将频域到时域fft进行叠加，得到超声强化湿法冶金实验的声场总声压及xy切面总声压分布图。
7、优选的，所述在comsol仿真系统中构建超声强化湿法冶金实验的三维模型，并设定超声强化湿法冶金实验的结构参数及操作参数，其具体包括如下内容：
8、在comsol仿真系统中选择声学物理场模块和频域分析方法；
9、定义超声强化湿法冶金实验中反应腔体及超声换能器的模型参数、模型变量；
10、构建超声强化湿法冶金实验的反应腔体和多个超声换能器的三维模型，多个超声换能器以反应腔体的中轴线为中心分布设置。
11、优选的，在定义超声强化湿法冶金实验的物理场时，采用comsol仿真系统中的压力声学模型对超声强化湿法冶金过程的声场进行分析，并利用有限元法在压力声学模型中将温度场和声学物理场耦合，得到超声强化湿法冶金的物理场-声场模型。
12、优选的，所述利用有限元法在压力声学模型中将温度场和声学物理场耦合，具体是确定物理场-声场模型中物理场与声场的耦合节点；其包括如下分步骤：
13、定义物理场-声场模型中的波动方程计算公式，基于运动方程、连续性方程和状态方程，得到超声波传播的波动方程；
14、通过超声波传播的波动方程将温度场和声学物理场耦合，确定物理场与声场的耦合节点；
15、根据物理场与声场的耦合节点，得到超声强化湿法冶金的物理场-声场模型。
16、优选的，在定义超声强化湿法冶金实验的边界条件时，采用comsol仿真系统中的压力声学模型将超声频率和功率转换为声压参数，通过声压参数对超声强化湿法冶金实验在comsol系统中的边界条件进行定义。
17、优选的，所述物理场-声场模型中超声波的波动方程计算公式为：
18、理想流体沿x轴正方向的运动方程如下所示：
19、
20、上式中：ρ为流体密度；v为流动速度；p为流体压强；x为流体位移；
21、声场声速c用下式表示：
22、
23、上式中：c为声场声速；kep为流体介质模量；ρc为流体介质密度；
24、基于运动方程、连续性方程和状态方程，得到超声波传播的波动方程为：
25、
26、上式中：p为流体压强；c为声速；为拉普拉斯算子，
27、由于物理场-声场模型是在频率域建模，根据亥姆霍兹方程，在频域中超声波的波动方程为：
28、
29、上式中：pt为声压；qd为偶极源；w为角频率；qm为单极源；ρc为流体介质密度。
30、优选的，将超声频率和功率转换为声压参数的计算公式为：
31、对于声源处声压，用平均声能量密度描述为：
32、
33、上式中：ε为平均声能量密度；ρ为流体密度；pt为声压；
34、而平均声能量密度用声功率描述为：
35、w＝εcs
36、上式中：w为平均声能密度；ε为平均声能量密度；c为声速；s为超声波探头的横截面积；
37、联立平均声能量密度方程和声功率方程，得到：
38、
39、上式中：pt为声压；w为平均声能密度；z为溶液声阻抗；s为超声波探头的横截面积。
40、优选的，所述根据超声的固有特性对三维模型进行网格划分，具体包括：使用三角形和四边形分别对流体域、超声换能器的三维模型进行网格划分，并设置每个网格大小为超声波波长的1/6。
41、优选的，在构建超声强化湿法冶金实验的反应腔体和超声换能器三维模型时，所述超声换能器的探头全部伸入反应腔体内的溶液中。
42、优选的，采用声场总声压及xy切面总声压分布图中颜色变化来分析超声波操作参数与结构参数对强化过程中声场的分布情况，得到最优的实验条件参数。
43、本专利技术的有益效果是：
44、本专利技术所述的优化多源超声强化湿法冶金布阵方法，其通过在comsol模拟仿真系统中设置不同的声学和物理参数对超声强化过程进行仿真计算，得到超声强化湿法冶金实验在不同的超声换能器功率、频率、探头直径及不同超声换能器布阵方式下的可视化物理场分布状况；尤其是不同的声学和物理参数对声场声压分布的影响效果；从而不仅能够优化超声强化湿法冶金实验过程中的声学性能，还能够优化湿法冶金超声强化过程中多源超声换能器的布阵方式，以最大程度提高声辐射效率，实现超声作用过程能量最大化利用。同时它对于开发高效的超声辅助设备和实现功率超声的工业化应用本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种优化多源超声强化湿法冶金布阵方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的优化多源超声强化湿法冶金布阵方法，其特征在于，所述在COMSOL仿真系统中构建超声强化湿法冶金实验的三维模型，并设定超声强化湿法冶金实验的结构参数及操作参数，其具体包括如下内容：
3.根据权利要求1所述的优化多源超声强化湿法冶金布阵方法，其特征在于，在定义超声强化湿法冶金实验的物理场时，采用COMSOL仿真系统中的压力声学模型对超声强化湿法冶金过程的声场进行分析，并利用有限元法在压力声学模型中将温度场和声学物理场耦合，得到超声强化湿法冶金的物理场-声场模型。
4.根据权利要求3所述的优化多源超声强化湿法冶金布阵方法，其特征在于，所述利用有限元法在压力声学模型中将温度场和声学物理场耦合，具体是确定物理场-声场模型中物理场与声场的耦合节点；其包括如下分步骤：
5.根据权利要求1所述的优化多源超声强化湿法冶金布阵方法，其特征在于，在定义超声强化湿法冶金实验的边界条件时，采用COMSOL仿真系统中的压力声学模型将超声频率和功率转换为声压参数，通过声
6.根据权利要求4所述的优化多源超声强化湿法冶金布阵方法，其特征在于，所述物理场-声场模型中超声波的波动方程计算公式为：
7.根据权利要求5所述的优化多源超声强化湿法冶金布阵方法，其特征在于，将超声频率和功率转换为声压参数的计算公式为：
8.根据权利要求1所述的优化多源超声强化湿法冶金布阵方法，其特征在于，所述根据超声的固有特性对三维模型进行网格划分，具体包括：使用三角形和四边形分别对流体域、超声换能器的三维模型进行网格划分，并设置每个网格大小为超声波波长的1/6。
9.根据权利要求2所述的优化多源超声强化湿法冶金布阵方法，其特征在于，在构建超声强化湿法冶金实验的反应腔体和超声换能器三维模型时，所述超声换能器的探头全部伸入反应腔体内的溶液中。
10.根据权利要求1所述的优化多源超声强化湿法冶金布阵方法，其特征在于，采用声场总声压及XY切面总声压分布图中颜色变化来分析超声波操作参数与结构参数对强化过程中声场的分布情况，得到最优的实验条件参数。
...【技术特征摘要】
1.一种优化多源超声强化湿法冶金布阵方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的优化多源超声强化湿法冶金布阵方法，其特征在于，所述在comsol仿真系统中构建超声强化湿法冶金实验的三维模型，并设定超声强化湿法冶金实验的结构参数及操作参数，其具体包括如下内容：
3.根据权利要求1所述的优化多源超声强化湿法冶金布阵方法，其特征在于，在定义超声强化湿法冶金实验的物理场时，采用comsol仿真系统中的压力声学模型对超声强化湿法冶金过程的声场进行分析，并利用有限元法在压力声学模型中将温度场和声学物理场耦合，得到超声强化湿法冶金的物理场-声场模型。
4.根据权利要求3所述的优化多源超声强化湿法冶金布阵方法，其特征在于，所述利用有限元法在压力声学模型中将温度场和声学物理场耦合，具体是确定物理场-声场模型中物理场与声场的耦合节点；其包括如下分步骤：
5.根据权利要求1所述的优化多源超声强化湿法冶金布阵方法，其特征在于，在定义超声强化湿法冶金实验的边界条件时，采用comsol仿真系统中的压力声学模型将超声频率和功率转换为声压参数，...
【专利技术属性】
技术研发人员：张利波，林国，王仕兴，胡途，夏洪应，李世伟，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：
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