大容量节能铝电解槽多物理场耦合建模及结构优化研究
发布时间：2021-08-06 15:25
铝电解槽是工业生产铝的核心设备,其多物理场分布状况显著影响生产的各项技术经济指标。目前,铝电解槽正向大容量、节能型方向快速发展,已有电解槽物理场建模研究方法已难以应对技术发展的需求。本文针对传统铝电解槽物理场模型在理论及适用性上的缺陷,开展系统的可适用于大容量节能铝电解槽的多物理场耦合建模研究,并以所建模型为基础,开展槽结构优化理论研究,进而为大容量节能铝电解槽及其运转技术的开发提供必要的理论基础与技术支持。本文的主要研究内容与成果如下：（1）建立了适用于大容量节能铝电解槽的三维瞬态三相（铝液-电解质-阳极气泡）磁流体模型,结合实际算例对多种磁流体模型进行了对比,证明了忽略阳极气泡相建模或基于稳态假设建模均可导致计算结果缺失重要信息；同时,基于瞬态三相磁流体研究获悉了阳极气泡相对磁流体行为的重要影响：阳极气泡相显著改变电解质流场,并通过铝液-电解质相间作用力间接削弱铝液中由电磁力引起的环流,气泡使铝液-电解质界面上呈现出阳极底面投影,并改变在电磁力与重力共同作用下的界面扰动行为,使长周期界面波动不再显著,转而呈现一种相对高频的扰动。（2）建立了一种大容量铝电解槽电-热场强耦合模型,结合...
【文章来源】：中南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
预培阳极铭电解槽结构示意图
大学博士学位论文 1绪SYS平台上建立了 230 kA槽的磁场计算模型，作者认为，用Biot-Savart定体积分形式计算槽内导体产生的磁场将产生较大的误差，模型包含磁介质与产生0.4~0.5 mT的结果差异，而母线电流简化为线电流不会产生显著误差，计算同时使用标量磁位与矢量磁位，计算步骤较繁琐，且可能存在重复考虑质影响的问题。刘杰[3G]在ANSYS软件平台上建立了 350kA槽磁场计算模点考察了母线系统、同列邻槽和邻厂房槽对本槽磁场的影响，结果显示各部对槽内磁场的影响呈现不同规律，邻槽和邻厂房槽对本槽溶体区磁场的影忽略。刘伟[I9]以350 kA、320 kA招电解槽为研宄对象，较系统的研宄了电流分布及载流母线布置对磁场分布的影响，认为结构设计使电场分布越均分布也越均匀，同时指出不引入电接触可使磁场计算结果产生0.1?0.6 m差，考虑母线截面积变化可使磁场垂直分量降低0.3 mT?0.4 mT的计算误
在研究阳极气体作用下的电解质流动方面，Solheim等较早地采用了数学建模方法来对实验研究结果进行论证，作者建立了一种理想化的二维电解质流场模型，给出了电解质连续性方程和动量守恒方程，并且指出模型必须将电解质和气泡之间的界面作用力考虑进去。Purdie等[51]在FLUENT软件平台上建模计算了半阳极周围电解质在阳极气泡作用下的运动，模型将电解质下表面定义为壁面，8
【参考文献】：
期刊论文
[1]预焙铝电解槽三维槽帮形状的模拟计算[J]. 崔喜风,邹忠,张红亮,李劼,徐宇杰. 中南大学学报(自然科学版). 2012(03)
[2]超大型铝电解槽内衬结构优化与热电场解析[J]. 班允刚,王德全,戚喜全,杨青辰,毛宇. 材料与冶金学报. 2010(S1)
[3]5kA级惰性阳极铝电解槽热平衡仿真[J]. 李劼,王志刚,张红亮,赖延清,徐宇杰. 中国有色金属学报. 2009(02)
[4]铝电解槽电磁流场的数学建模与应用[J]. 刘伟,李劼,赖延清,徐宇杰,刘业翔. 中国有色金属学报. 2008(05)
[5]铝电解槽内电解质运动的数值模拟[J]. 夏小霞,王志奇,周乃君. 过程工程学报. 2007(02)
[6]300 kA铝电解槽电、磁、流多物理场耦合仿真[J]. 李茂,周孑民,王长宏. 过程工程学报. 2007(02)
[7]铝电解槽磁流体的两相模拟及其界面追踪[J]. 周孑民,李茂,蒋胜矩. 中南大学学报(自然科学版). 2007(02)
[8]156kA铝电解槽内电解质两相流动的数值模拟[J]. 夏小霞,周乃君,崔大光,包生重. 中国有色金属学报. 2006(11)
[9]铝电解槽内电-磁-流场的耦合仿真方法及应用[J]. 姜昌伟,梅炽,周乃君,刘和云,傅俊萍. 计算物理. 2006(06)
[10]铝电解槽电热场1/4槽模型有限元解析方法及应用[J]. 周乃君,崔大光,周正明,夏小霞. 轻金属. 2006(11)
博士论文
[1]惰性阳极铝电解槽物理场仿真研究[D]. 王志刚.中南大学 2009
[2]铝电解槽多物理场数学建模及应用研究[D]. 刘伟.中南大学 2008
[3]铝电解槽内电磁流动模型及铝液流场数值仿真的研究[D]. 周萍.中南大学 2002
硕士论文
[1]20kA级惰性电极铝电解槽多物理场仿真及结构优化[D]. 崔喜风.中南大学 2011
[2]铝电解槽内熔体运动数学建模及应用研究[D]. 徐宇杰.中南大学 2010
[3]大型预焙铝电解槽电磁场设计与优化研究[D]. 刘杰.中南大学 2007
[4]铝电解槽内电解质流场的数值模拟研究[D]. 夏小霞.中南大学 2005
本文编号：3326022
【文章来源】：中南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
预培阳极铭电解槽结构示意图
大学博士学位论文 1绪SYS平台上建立了 230 kA槽的磁场计算模型，作者认为，用Biot-Savart定体积分形式计算槽内导体产生的磁场将产生较大的误差，模型包含磁介质与产生0.4~0.5 mT的结果差异，而母线电流简化为线电流不会产生显著误差，计算同时使用标量磁位与矢量磁位，计算步骤较繁琐，且可能存在重复考虑质影响的问题。刘杰[3G]在ANSYS软件平台上建立了 350kA槽磁场计算模点考察了母线系统、同列邻槽和邻厂房槽对本槽磁场的影响，结果显示各部对槽内磁场的影响呈现不同规律，邻槽和邻厂房槽对本槽溶体区磁场的影忽略。刘伟[I9]以350 kA、320 kA招电解槽为研宄对象，较系统的研宄了电流分布及载流母线布置对磁场分布的影响，认为结构设计使电场分布越均分布也越均匀，同时指出不引入电接触可使磁场计算结果产生0.1?0.6 m差，考虑母线截面积变化可使磁场垂直分量降低0.3 mT?0.4 mT的计算误
在研究阳极气体作用下的电解质流动方面，Solheim等较早地采用了数学建模方法来对实验研究结果进行论证，作者建立了一种理想化的二维电解质流场模型，给出了电解质连续性方程和动量守恒方程，并且指出模型必须将电解质和气泡之间的界面作用力考虑进去。Purdie等[51]在FLUENT软件平台上建模计算了半阳极周围电解质在阳极气泡作用下的运动，模型将电解质下表面定义为壁面，8
【参考文献】：
期刊论文
[1]预焙铝电解槽三维槽帮形状的模拟计算[J]. 崔喜风,邹忠,张红亮,李劼,徐宇杰. 中南大学学报(自然科学版). 2012(03)
[2]超大型铝电解槽内衬结构优化与热电场解析[J]. 班允刚,王德全,戚喜全,杨青辰,毛宇. 材料与冶金学报. 2010(S1)
[3]5kA级惰性阳极铝电解槽热平衡仿真[J]. 李劼,王志刚,张红亮,赖延清,徐宇杰. 中国有色金属学报. 2009(02)
[4]铝电解槽电磁流场的数学建模与应用[J]. 刘伟,李劼,赖延清,徐宇杰,刘业翔. 中国有色金属学报. 2008(05)
[5]铝电解槽内电解质运动的数值模拟[J]. 夏小霞,王志奇,周乃君. 过程工程学报. 2007(02)
[6]300 kA铝电解槽电、磁、流多物理场耦合仿真[J]. 李茂,周孑民,王长宏. 过程工程学报. 2007(02)
[7]铝电解槽磁流体的两相模拟及其界面追踪[J]. 周孑民,李茂,蒋胜矩. 中南大学学报(自然科学版). 2007(02)
[8]156kA铝电解槽内电解质两相流动的数值模拟[J]. 夏小霞,周乃君,崔大光,包生重. 中国有色金属学报. 2006(11)
[9]铝电解槽内电-磁-流场的耦合仿真方法及应用[J]. 姜昌伟,梅炽,周乃君,刘和云,傅俊萍. 计算物理. 2006(06)
[10]铝电解槽电热场1/4槽模型有限元解析方法及应用[J]. 周乃君,崔大光,周正明,夏小霞. 轻金属. 2006(11)
博士论文
[1]惰性阳极铝电解槽物理场仿真研究[D]. 王志刚.中南大学 2009
[2]铝电解槽多物理场数学建模及应用研究[D]. 刘伟.中南大学 2008
[3]铝电解槽内电磁流动模型及铝液流场数值仿真的研究[D]. 周萍.中南大学 2002
硕士论文
[1]20kA级惰性电极铝电解槽多物理场仿真及结构优化[D]. 崔喜风.中南大学 2011
[2]铝电解槽内熔体运动数学建模及应用研究[D]. 徐宇杰.中南大学 2010
[3]大型预焙铝电解槽电磁场设计与优化研究[D]. 刘杰.中南大学 2007
[4]铝电解槽内电解质流场的数值模拟研究[D]. 夏小霞.中南大学 2005
本文编号：3326022
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