面向在线仿真的铝电解槽电—热场耦合建模研究

摘要

工业铝电解槽内电-热场始终处于一个动态平衡的状态，其分布直接影响电解槽的能耗和槽寿命指标。建立面向在线仿真的铝电解槽电-热场模型对于实时获悉槽内电-热场的分布与变化趋势，从而及时调整电解工艺技术条件以确保电解槽始终处于高效稳定的运行状态具有十分重要的理论意义和实用价值。
　　本文针对当前铝电解槽电-热场面向在线仿真模型的准确性有待提高、计算效率偏低及忽略全槽空间分布等缺陷，通过完善电-热场强耦合理论计算模型、制定高效的槽帮迭代策略以及优化模型的计算效率，建立基于阳极电流分布的铝电解槽电-热场在线仿真模型，论文主要创新点及成果归纳如下:
　　(1)在分析铝电解槽能量收支、电-热平衡以及电-热场耦合关系的基础上，建立了包含熔体内电化学反应热效应、槽帮与熔体换热、熔体界面之间换热的铝电解槽电-热场强耦合模型。并以某420kA级铝电解槽为算例，在ANSYS平台上进行了仿真计算。同时，根据电解槽的结构特性，在保证计算精度的基础上，优化模型的结构，提高了模型的计算效率，为电-热场的耦合在线仿真提供了高效的基础计算模型。
　　(2)基于最优化理论及槽帮形状计算原理，设计了基于二分法和黄金分割法的三维槽帮形状迭代算法，并结合所建立的铝电解槽电-热场强耦合仿真模型，考察分析了用两种迭代方法计算槽帮形状的计算效率。结果表明:在所设定的迭代收敛标准下，应用二分法和黄金分割法计算槽帮形状具有相同的计算效率和一致的计算结果;相比于现有的槽帮迭代算法，基于最优化理论的两种槽帮计算方法具有迭代次数少、计算效率高的优势。
　　(3)建立了基于阳极电流分布的铝电解槽电-热场在线仿真模型。在分析切片模型与槽内周围区域之间换热的理论基础上，通过在模型的熔体中添加热源的方式来等效切片模型与槽内周围区域之间的换热，并在充分考虑迭代效率和计算精度的前提下，建立了基于阳极电流分布的铝电解槽电-热场在线仿真模型。以某420kA级铝电解槽为例，计算了在阳极电流处于理论设计值的90％至110％的区间变化时，电-热场和槽帮形状的实时分布情况。结果表明:所建模型能较高效地计算不同阳极电流下的电-热场分布和槽帮形状，单次计算耗时33分钟左右，且电-热场及槽帮形状分布随阳极电流的变化呈现较为明显的有规律预期波动。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 铝电解工业现状及发展趋势

1．2 工业铝电解槽电-热场亟待解决的问题

1．3 论文研究目的与意义

2 文献综述

2．1 铝电解槽电-热场的研究方法

2．2 铝电解槽电-热场的仿真研究进展

2．2．1 铝电解槽电-热场离线仿真模型的研究进展

2．2．2 铝电解槽电-热场在线仿真的研究进展

2．2．3 已有工作的总结及存在的缺陷

2．2．4 铝电解槽电-热场模型面向在线仿真急需解决的难题

2．3 本文主要研究内容和方案

3 铝电解槽高效电-热场强耦合计算建模

3．1 铝电解槽电-热场强耦合建模的理论基础

3．1．1 铝电解槽电场与热场的强耦合关系

3．1．2 电化学反应热效应对电-热场的影响

3．1．3 电化学反应热效应计算的理论基础

3．2 铝电解槽电-热场强耦合模型

3．2．1 控制方程

3．2．2 边界条件

3．2．3 接触压降

3．2．4 物理模型

3．2．5 建模和计算流程

3．3 计算结果分析

3．3．1 电场计算结果与分析

3．3．2 热场计算结果与分析

3．4 电-热场模型计算效率的提高

3．4．1 计算结果比较

3．4．2 计算效率比较

3．5 本章小结

4 铝电解槽电-热场槽帮形状迭代算法的研究

4．1 槽帮计算的基本原理

4．2 基于最优化原理的迭代方法简介

4．2．1 最优化问题数学模型的一般形式

4．2．2 最优化方法的基本思想和基本迭代格式

4．2．3 二分法和黄金分割法

4．3 槽帮形状的二分法和黄金分割法迭代计算

4．3．1 槽帮形状二分法迭代计算原理

4．3．2 槽帮形状黄金分割法迭代计算原理

4．3．3 二分法和黄金分割法在ANSYS中的实现

4．3．4 迭代计算结果和计算效率比较

4．4 本章小结

5 基于阳极电流分布的铝电解槽电-热场在线仿真

5．1 用于在线仿真的电-热场模型的选取

5．2 电-热耦合切片模型的槽内热交换处理

5．2．1 电解槽局部区域与槽内周围区域之间的热交换特征

5．2．2 切片模型的槽内换热量的计算

5．3 不同阳极电流下铝电解槽电-热场的仿真计算

5．3．1 计算步骤

5．3．2 应用算例

5．4 基于阳极电流分布的电-热场在线仿真的实现

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望与建议

参考文献

发表论文与参与的科研项目

致谢