鋁電解槽內(nèi)電磁流動模型及鋁液流場數(shù)值仿真的研究.pdf

1、鋁電解槽內(nèi)熔體流場與電場、熱場、磁場相互耦合,其綜合效果對電流效率、槽壽命等技術(shù)指標(biāo)影響顯著.因此,深入了解鋁電解槽內(nèi)鋁液流動的湍流特性、選擇適宜的湍流模型、提高流場數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性對提高鋁電解槽計(jì)算機(jī)仿真與優(yōu)化的技術(shù)水平以及促進(jìn)鋁電解工業(yè)的進(jìn)步均有著重要的理論與實(shí)踐意義. 該文分析了鋁電解槽內(nèi)熔體的運(yùn)動情況,闡述了電磁流動模型.基于鋁電解槽全息仿真的概念,將鋁電解槽內(nèi)的多場耦合問題分為時(shí)均耦合、脈動耦合、循環(huán)耦合與雙向耦合以及多相

2、耦合,對耦合機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的分析.作者以商業(yè)軟件CFX4.3為開發(fā)平臺,開發(fā)出了磁場與電流輸入模塊、動量方程中源項(xiàng)電磁力的計(jì)算模塊以及鋁液/電解質(zhì)界面形狀的計(jì)算模塊.并以磁場、電場與熱場綜合解析的結(jié)果為基礎(chǔ),應(yīng)用鋁電解槽內(nèi)多場耦合的分離求解方法,對三種不同結(jié)構(gòu)的預(yù)焙鋁電解槽(分別為三點(diǎn)進(jìn)電的82kA、兩點(diǎn)進(jìn)電的156kA以及單側(cè)四點(diǎn)進(jìn)電的200kA鋁電解槽)內(nèi)的鋁液流場進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算.同時(shí)運(yùn)用鐵棒溶蝕法對相應(yīng)鋁電解槽中的鋁液流場進(jìn)行了工

3、業(yè)測試,其結(jié)果為數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證以及電磁流動模型的研究提供了依據(jù).研究了不同模型中網(wǎng)格尺寸與數(shù)量對計(jì)算精度影響的定量分析數(shù)據(jù),結(jié)果表明邊界層內(nèi)網(wǎng)格疏密對高雷諾數(shù)模型影響較小,而對低雷諾數(shù)模型影響較大.因此,應(yīng)用低雷諾數(shù)模型時(shí),邊界層內(nèi)必須采用較密的網(wǎng)格. 該文運(yùn)用湍流雷諾數(shù)的概念分析了鋁電解槽中的湍流狀況,其大小為103數(shù)量級,屬于高雷諾數(shù)湍流流動.同時(shí)雷諾數(shù)也是判別流體湍流狀態(tài)的重要準(zhǔn)數(shù),作者認(rèn)為計(jì)算鋁液區(qū)域的雷諾數(shù)時(shí),宜以鋁液深度作為

4、特征尺寸,此時(shí)雷諾數(shù)的大小為104數(shù)量級.文中采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、低雷諾數(shù)J-L k-ε模型以及RNG模型對三種不同結(jié)構(gòu)的鋁電解槽內(nèi)鋁液的流場進(jìn)行了數(shù)值仿真,通過對其結(jié)果的詳細(xì)分析以及與測試結(jié)果的比較,上述結(jié)論得到進(jìn)一步證實(shí),即鋁液的流動屬于高雷諾數(shù)湍流狀態(tài).因此,作者初步認(rèn)定在電流強(qiáng)度大于80kA的鋁電解槽中,鋁液流動計(jì)算不適宜于應(yīng)用低雷諾數(shù)模型. 該文運(yùn)用哈特曼準(zhǔn)數(shù),定量分析了鋁電解槽中電磁力對鋁液湍流運(yùn)動的抑制作用.所研究的鋁電解