420KA吕电解槽电—磁—流场仿真研究

发布时间：2020-10-08 18:46

　　铝电解槽生产铝是一个涉及到电、磁、热、力、流等多物理场耦合变化的复杂过程。铝电解槽内部电-磁-流场的研究涉及到电磁学和流体力学等多个学科的交叉,具有重要的学术价值。另一方面,对铝电解槽内多物理场的认识可以优化铝电解生产工艺,有利于电解槽生产效率、槽寿命等重要指标的提升,因此具有重要的工程意义。由于铝电解槽运行过程的复杂性,涉及高温、高电流、多物理场耦合,实验测量槽内电磁流场的变化通常难以实现,因此,数值模拟现已成为研究铝电解槽内各物理场变化规律,探寻其物理机理的重要手段。本文采用数值模拟的方法对某420KA电解槽的电-磁-流场进行了建模和仿真计算,重点探讨了电磁力与气泡作用对铝电解槽流场的影响,分析了不同方向上的磁场对电解槽流场的影响,同时还对电解槽的各个工况、异型阴极情况进行了计算模拟分析。本文的主要研究工作和创新性成果如下:(1)基于多仿真平台构建了电解槽电磁流耦合计算模型。首先,采用了SolidWorks软件建立了一个精细的420KA铝电解槽全槽几何模型;在此基础上,通过Maxwell软件对其进行了电磁场分析;然后,在CFX平台上建立了三相流稳态流场模型并进行了流场计算;最后,得到了正常情况下铝电解槽内的流场形态和电解质-铝液界面形状。(2)通过计算模拟,重点探讨了电磁力和气泡对铝液流场的作用,并比较了不同方向上磁场对流场的影响。研究结果表明:气泡能够减缓铝液的流速;电解质-铝液界面的变形主要受X方向磁场的影响;槽内的流场形态则是X方向和Y方向磁场共同影响的结果,Y方向磁场的增强会增强铝电解槽两端的两个大涡,X方向磁场的增强则会使槽内局部流动更加激烈。(3)考虑到铝电解生产过程和工艺的复杂性,本文对不同铝水平、换极工况以及异型阴极等进行了建模和计算分析。结果表明:当铝水平为23cm和25cm时,铝液平均流速和电解质-铝液界面变形量均相对较小,但当铝水平为27cm时,流场中形成了4个完整的大涡;电解槽边角处换极对电解槽流场的整体影响大于中间部位的换极;异型阴极的采用可明显降低铝液的平均流速。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TF821
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 国内外研究动态
    1.3 本文研究内容
2 电-磁-流场建模及计算分析
    2.1 铝电解槽结构和原理
    2.2 电-磁场建模及计算
    2.3 流场建模及计算
    2.4 本章小结
3 电磁力和气泡对电解槽流场的影响
    3.1 引言
    3.2 电磁力与气泡对电解槽内熔体运动的影响
    3.3 不同方向磁场对的流场影响
    3.4 不同出气边界设置结果比较
    3.5 本章小结
4 电解槽各工况及异型阴极对流场的影响
    4.1 引言
    4.2 不同铝水平电解槽流场
    4.3 不同换极工况下铝电解槽流场
    4.4 异型阴极电解槽流场
    4.5 本章小结
5 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
致谢
参考文献

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