铝电解槽的多物理场仿真研究

摘要

铝工业是高能耗产业。工业上生产铝采用电解法,铝电解过程要耗费大量的电能。在我国能源短缺、电力供应紧张的大环境下,提高铝电解槽电流效率在铝电解生产中具有重大的技术和经济意义。电解效率与电解槽运行状态息息相关,研究铝电解槽运行过程中的各物理场是提高电解效率的理论基础。
　　对电解槽的物理场仿真分析,始于上世纪八九十年代,至今虽已发展了二十多年,但限于科技水平,全槽仿真模拟和多物理场间接耦合分析相对较少。尤其是国内,绝大部分的研究是针对单物理场或者电-热、热-力等简单的直接耦合分析,使用模型也大多为切片、1/4槽等不完全模型。如何将这些零碎不全面的研究工作综合起来,用于对铝电解槽物理场更全面更准确的计算分析,对提高铝电解槽的电流效率、降低铝工业能耗具有重要意义,也是未来电解槽仿真计算发展的必然方向。
　　本文利用有限元软件ANSYS建立了某铝电解槽的1/4槽模型、1/2槽模型和全槽模型,对其进行了炉帮修正、电-热以及电-磁耦合分析。计算考虑了电解槽电流输入与输出两侧的电场分布差异,并使用了有限元与无限元相结合的方法模拟无限域问题,得到了更为准确的三维炉帮和温度场、磁场分布,并为电解槽槽型设计、母线设计提供了参考和优化方向。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究概况

1.3 本文的主要研究内容

2 铝电解槽工艺结构简介

2.1 铝电解槽简介

2.2 仿真计算平台

2.3 本章小结

3 铝电解槽电场的数值仿真计算

3.1 铝电解槽电场仿真的解析区域与几何模型

3.2 铝电解槽电场仿真的数学模型

3.3 铝电解槽电场有限元模型的边界条件及求解

3.4 铝电解槽电场仿真计算结果

3.5 本章小结

4 铝电解槽磁场的数值仿真计算

4.1 铝电解槽磁场仿真的解析区域与几何模型

4.2 铝电解槽磁场仿真的数学模型

4.3 铝电解槽磁场有限元模型的边界条件及求解

4.4 铝电解槽磁场仿真计算结果

4.5 本章小结

5 铝电解槽热场的数值仿真计算

5.1 铝电解槽热场仿真的解析区域与几何模型

5.2 铝电解槽热场仿真的数学模型

5.3 铝电解槽热场有限元模型的边界条件及求解

5.4 铝电解槽槽帮的循环修正计算及其结果

5.5 铝电解槽热场仿真计算结果

5.6 本章小结

6 计算结果分析

6.1 计算结果可靠性分析

6.2 计算模型实用性分析

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 展望

致谢

参考文献