铝电解槽多物理场数学建模及应用研究

论文摘要

铝电解槽是炼铝的核心设备,其发展与进步代表了电解铝工艺的革新。多物理场在铝电解槽内产生、演变并相互作用,影响铝电解生产的能耗、效率、槽寿命等技术经济指标。因此,建立可靠、灵活、易用的铝电解槽多场耦合仿真模型对开发高效率、高产率、低能耗与长寿命的先进槽型具有重要意义。铝电解槽的多场耦合仿真计算非常复杂。铝电解槽内外分布着形状各异的几十种媒质材料,这使得数值计算的前期准备工作如网格剖分、边界条件施加等非常繁杂。单个物理场或耦合场求解的实施步骤难易程度不同,耦合关系、接触现象、磁场开域及收敛性等问题进一步增加了计算的难度。本文以铝电解槽内电、磁、热、流、力五个物理场为对象,在使用少量假设条件、合理分割场域、多场共享模型信息和结果的前提下,建立起了较为完整的铝电解槽多物理场仿真模型。在大型预焙槽、特大型预焙槽及导流槽等不同槽型上应用该模型进行了各种仿真研究。论文主要创新点如下:（1）从降低方法误差的角度出发,把接触方程引入至电磁场模型,消除水平电流及垂直磁场计算误差;建立了槽内导体与复杂母线系统组成的多槽电磁场模型及母线磁场转换模型。研究表明,接触模型的运用使电力线分布更平缓,水平电流明显降低;在电场分布较均匀的情况下降低垂直磁场计算误差的幅度较小,但在电场分布不均的情况下降低垂直磁场计算误差达0.6 mT;无论电场分布是否均匀,与单一面积常数母线模型相比,考虑母线截面变化可降低垂直磁场计算误差0.3～0.4 mT。（2）基于VOF自由面跟踪法和自定义的电磁力离散插值函数建立了单一求解域内的电解质—铝液两相流模型,并进行稳态流场的求解。研究表明,在2 000～3 000次迭代后流场计算的最大残差水平低于1×10-4。在河南某电解铝厂350 kA槽上进行了电—磁—流场模型的验证,结果说明了仿真模型的可行性和准确性。（3）以现代大面进电铝电解槽为对象,深入研究了槽内导体及母线配置对电、磁、流场分布的影响,总结了磁场分布特征、母线设计思路,获得了场量分布的协调一致性规律,即电场分布越均匀,磁场分布亦越均匀,界面变形越小。（4）针对垂直磁场数据多、分布离散的特点,建立了正交最小二乘法曲面拟合函数,突破了常量或线性函数给波动稳定性分析造成的应用局限,同时提高了计算精度。将不同长宽比下的磁场计算结果耦合到波动方程中,计算得到了槽稳定性随长宽比的变化趋势。研究表明,槽内导体产生的磁场分布规律相似,数值随长宽比增加而减小,从而槽子稳定性变好;附加母线产生的磁场后,槽子稳定性变差。（5）开发了瞬态焙烧启动热场与应力场模型,对河南某电解铝试验厂300 kA槽上进行了热场及应力场计算。研究表明,设计的非均匀电阻率焦粒层铺设方法分别使内衬温差降低8.0%～30.0%、升温速度降低4.5%～12.5%,从而有效避免早期槽破损;根据线弹性理论,在热膨胀阶段采用半石墨质炭块时槽体位移与热应力最大,采用石墨化炭块时最小,而在随后30 d的热钠膨胀阶段,采用无烟煤炭块时槽体位移与应力最大,采用石墨化炭块时电解槽应力最小。（6）针对导流槽和特大型槽开发必须解决的热平衡和磁场分布优化设计问题,获得了一种维持良好热平衡的导流槽结构与工艺方案,以及一种垂直磁场在3.5 mT以下的特大型槽及母线结构方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 铝电解工业简介
• 1.2 多场交互作用对铝电解过程的影响
• 1.2.1 电—磁—流场对铝电解过程的影响
• 1.2.2 电—热—应力场对铝电解过程的影响
• 1.3 铝电解槽多物理场耦合仿真的研究进展
• 1.3.1 电磁场研究进展
• 1.3.2 磁流体动力学研究进展
• 1.3.3 热场及应力场研究进展
• 1.4 铝电解槽多场模型存在的问题
• 1.5 论文研究的目的、内容与方案
• 1.5.1 研究的目的
• 1.5.2 主要研究内容
• 1.5.3 研究方案
• 第二章 铝电解槽多物理场数学建模
• 2.1 多物理场的耦合关系研究
• 2.1.1 铝电解槽中的多场耦合
• 2.1.2 多场耦合关系的表现形式
• 2.1.3 基于参数耦合的场域结构化单元剖分
• 2.2 电场建模
• 2.2.1 电场基本方程
• 2.2.2 电接触方程
• 2.2.3 有限元法简介及电场有限元模型
• 2.2.4 电场边界条件与求解
• 2.3 磁场建模
• 2.3.1 磁场基本方程
• 2.3.2 GPψ-DP标量磁位法
• 2.3.3 磁场有限元模型
• 2.3.4 磁场边界条件与求解
• 2.4 稳态流场建模
• 2.4.1 稳态流场基本方程
• 2.4.2 自由面跟踪VOF法
• 2.4.3 有限体积法简介与两相流模型
• 2.4.4 流场计算假设与边界条件
• 2.5 MHD稳定性的模态耦合分析
• 2.5.1 二维MHD波动方程
• 2.5.2 二维MHD波动方程的傅立叶级数解法
• 2.5.3 垂直磁场的最小二乘曲面拟合
• 2.5.4 程序实现与分析内容
• 2.6 焦粒焙烧启动过程热场及应力场建模
• 2.6.1 热场及热弹性控制方程
• 2.6.2 钠膨胀控制方程
• 2.6.3 边界条件
• 2.7 多物理场数学模型的验证
• 2.7.1 电接触模型的验证
• 2.7.2 磁场模型的验证
• 2.7.3 流场模型的验证
• 2.7.4 国外相关电磁流场的仿真与测试数据
• 2.7.5 焙烧瞬态模型的验证
• 2.8 本章小结
• 第三章 母线配置及其与电—磁—流场关系的深入研究
• 3.1 概述
• 3.2 局部母线变化对电磁场的影响
• 3.2.1 电场分布
• 3.2.2 磁场分布
• 3.2.3 相邻电解槽对磁场的贡献
• 3.3 全局母线变化对电磁流场的影响
• 3.3.1 电场分布
• 3.3.2 磁场分布
• 3.3.3 流场分布
• 3.4 流场形态与母线设计
• 3.4.1 电磁力与稳态流场的关系
• 3.4.2 理想电磁力场与四涡型流场
• 3.5 本章小结
• 第四章 长宽比及其与物理场特性关系的研究
• 4.1 概述
• 4.2 长宽比定义及研究方案
• 4.3 长宽比与物理场分布的关系研究
• 4.3.1 电场分布
• 4.3.2 磁场分布
• 4.3.3 流速分布
• 4.3.4 MHD稳定性分析
• 4.3.5 关于热稳定性的讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 焦粒焙烧启动过程温度场及应力场仿真研究
• 5.1 概述
• 5.2 焦粒焙烧过程热场的仿真与优化
• 5.2.1 均匀铺焦工艺的不足
• 5.2.2 焦粒层铺设方式优化
• 5.3 启动过程温度梯度与钠膨胀应力场研究
• 5.3.1 钠浓度分布
• 5.3.2 位移分析
• 5.3.3 应力分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 多物理场数学模型在新型铝电解槽开发中的应用研究
• 6.1 190kA导流槽电热平衡分析
• 6.1.1 导流槽仿真研究现状
• 6.1.2 电热平衡方程
• 6.1.3 体系电压降
• 6.1.4 槽帮形状预测
• 6.1.5 热平衡
• 6.2 600kA特大型铝电解槽磁场设计
• 6.2.1 特大型槽技术研究现状
• 6.2.2 600kA电解槽结构设计
• 6.2.3 600kA电解槽母线设计
• 6.2.4 600kA电解槽磁场仿真计算
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 论文主要工作和研究成果
• 7.2 展望与建议
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间发表的论文、参加科研及获奖情况