面向在線仿真的鋁電解槽電—熱場耦合建模研究.pdf

1、工業(yè)鋁電解槽內(nèi)電-熱場始終處于一個動態(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-熱場模型對于實時獲悉槽內(nèi)電-熱場的分布與變化趨勢，從而及時調(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用價值。
　　本文針對當(dāng)前鋁電解槽電-熱場面向在線仿真模型的準(zhǔn)確性有待提高、計算效率偏低及忽略全槽空間分布等缺陷，通過完善電-熱場強(qiáng)耦合理論計算模型、制定高效的槽幫迭代策略

2、以及優(yōu)化模型的計算效率，建立基于陽極電流分布的鋁電解槽電-熱場在線仿真模型，論文主要創(chuàng)新點及成果歸納如下:
　　(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-熱場強(qiáng)耦合模型。并以某420kA級鋁電解槽為算例，在ANSYS平臺上進(jìn)行了仿真計算。同時，根據(jù)電解槽的結(jié)構(gòu)特性，在保證計算精度的基礎(chǔ)上，優(yōu)化模型的結(jié)構(gòu)，提高了模型的計算效率

3、，為電-熱場的耦合在線仿真提供了高效的基礎(chǔ)計算模型。
　　(2)基于最優(yōu)化理論及槽幫形狀計算原理，設(shè)計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-熱場強(qiáng)耦合仿真模型，考察分析了用兩種迭代方法計算槽幫形狀的計算效率。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算槽幫形狀具有相同的計算效率和一致的計算結(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算方法具有迭代次數(shù)少、計算效率高

4、的優(yōu)勢。
　　(3)建立了基于陽極電流分布的鋁電解槽電-熱場在線仿真模型。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-熱場在線仿真模型。以某420kA級鋁電解槽為例，計算了在陽極電流處于理論設(shè)計值的90％至110％的區(qū)間變化時，電-熱場和槽幫形狀的實時分布情況。結(jié)果表明:所建模型