某型铝电解槽电磁流场及电磁热场耦合研究

摘要

铝电解槽是一个复杂的系统，它涉及到电、磁、热、力、流等多个物理场，这些多物理场相互作用，彼此耦合，共同影响电解槽运行的稳定性和安全性。研究铝电解槽中多物理场之间的耦合影响，不仅具有重要的学术价值，而且对铝电解槽的安全生产、节能减耗有十分重要的实际指导意义。
　　本文以某大型电解槽为研究对象，采用有限元方法建立了完整的电磁场、流场、电磁热耦合模型，深入研究了影响电磁场的多种因素，气泡对电解质-铝液流速及界面波动的影响，以及电磁热场之间的相互作用。本文主要研究工作如下：
　　（1）基于Maxwell仿真平台，建立电磁场全槽模型。研究了铁磁物质（槽壳、摇篮架、阴极钢棒、阳极钢爪）对全槽磁场分布的影响，尤其研究了过道母线对系列槽磁场分布的影响。计算模拟结果表明：铁磁物质会明显减弱磁场的数值和波动幅度；在仅考虑槽壳时，槽内磁场分布在数值上有所增加；磁场强度随过道母线与系列槽距离的增大而降低，当过道母线与系列槽的距离为15 m时，影响降到最低。
　　（2）基于CFX分析平台，建立电解质-铝液-气泡三相流模型。应用三相流非均相模型进行稳态流场计算，考虑了不同气泡直径对流场流速及波动的影响。计算模拟结果表明：电解质-铝液的流速、波动面变形量均随着气泡直径的增大而增大，且波动面变形量的最大值出现在阳极中缝；直径较大时气泡更容易从阳极中缝溢出，导致此处流速增大，界面波动加剧。
　　（3）基于Maxwell与Workbench分析平台，建立完整的电磁热耦合模型，研究了它们之间的相互影响。计算模拟结果表明：耦合前后，x（槽长）、y（槽宽）方向上的电流分布及大小变化较大，z（槽高）方向上的磁场分布及x、y、z各个方向的磁场大小变化较大，x、y、z各个方向上的电磁力大小及x、z方向上电磁力分布变化较大。在温度分布上，槽帮下边缘温度达到电解质结晶范围之内，散热量满足底部保温上部散热的设计思路，进一步验证模型的准确性。

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1绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3铝电解槽多物理场研究中存在的问题

1.4本课题对铝电解槽研究的目的与意义

1.5本文主要研究内容

2铝电解槽电磁场模型建模与研究

2.1引言

2.2Ansoft Maxwell软件的应用

2.3电磁场模型建模

2.4铁磁物质影响的比较

2.5过道母线对电解槽磁场分布的影响

2.6本章小结

3铝电解槽流场仿真研究

3.1引言

3.2流场研究内容和方法

3.3流场数学模型

3.4流场模型参数及边界加载

3.5流场模型计算结果分析

3.6本章小结

4铝电解槽电磁热多物理场耦合研究

4.1引言

4.2物理建模及数学模型

4.3电磁热耦合模型计算结果分析

4.4本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2建议与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及参与的科研项目