面向在線仿真的鋁電解槽電—熱場(chǎng)耦合建模研究.pdf

1、工業(yè)鋁電解槽內(nèi)電-熱場(chǎng)始終處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，其分布直接影響電解槽的能耗和槽壽命指標(biāo)。建立面向在線仿真的鋁電解槽電-熱場(chǎng)模型對(duì)于實(shí)時(shí)獲悉槽內(nèi)電-熱場(chǎng)的分布與變化趨勢(shì)，從而及時(shí)調(diào)整電解工藝技術(shù)條件以確保電解槽始終處于高效穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
　　本文針對(duì)當(dāng)前鋁電解槽電-熱場(chǎng)面向在線仿真模型的準(zhǔn)確性有待提高、計(jì)算效率偏低及忽略全槽空間分布等缺陷，通過完善電-熱場(chǎng)強(qiáng)耦合理論計(jì)算模型、制定高效的槽幫迭代策略

2、以及優(yōu)化模型的計(jì)算效率，建立基于陽極電流分布的鋁電解槽電-熱場(chǎng)在線仿真模型，論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)及成果歸納如下:
　　(1)在分析鋁電解槽能量收支、電-熱平衡以及電-熱場(chǎng)耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立了包含熔體內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)、槽幫與熔體換熱、熔體界面之間換熱的鋁電解槽電-熱場(chǎng)強(qiáng)耦合模型。并以某420kA級(jí)鋁電解槽為算例，在ANSYS平臺(tái)上進(jìn)行了仿真計(jì)算。同時(shí)，根據(jù)電解槽的結(jié)構(gòu)特性，在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，優(yōu)化模型的結(jié)構(gòu)，提高了模型的計(jì)算效率

3、，為電-熱場(chǎng)的耦合在線仿真提供了高效的基礎(chǔ)計(jì)算模型。
　　(2)基于最優(yōu)化理論及槽幫形狀計(jì)算原理，設(shè)計(jì)了基于二分法和黃金分割法的三維槽幫形狀迭代算法，并結(jié)合所建立的鋁電解槽電-熱場(chǎng)強(qiáng)耦合仿真模型，考察分析了用兩種迭代方法計(jì)算槽幫形狀的計(jì)算效率。結(jié)果表明:在所設(shè)定的迭代收斂標(biāo)準(zhǔn)下，應(yīng)用二分法和黃金分割法計(jì)算槽幫形狀具有相同的計(jì)算效率和一致的計(jì)算結(jié)果;相比于現(xiàn)有的槽幫迭代算法，基于最優(yōu)化理論的兩種槽幫計(jì)算方法具有迭代次數(shù)少、計(jì)算效率高

4、的優(yōu)勢(shì)。
　　(3)建立了基于陽極電流分布的鋁電解槽電-熱場(chǎng)在線仿真模型。在分析切片模型與槽內(nèi)周圍區(qū)域之間換熱的理論基礎(chǔ)上，通過在模型的熔體中添加熱源的方式來等效切片模型與槽內(nèi)周圍區(qū)域之間的換熱，并在充分考慮迭代效率和計(jì)算精度的前提下，建立了基于陽極電流分布的鋁電解槽電-熱場(chǎng)在線仿真模型。以某420kA級(jí)鋁電解槽為例，計(jì)算了在陽極電流處于理論設(shè)計(jì)值的90％至110％的區(qū)間變化時(shí)，電-熱場(chǎng)和槽幫形狀的實(shí)時(shí)分布情況。結(jié)果表明:所建模型