320kA铝电解槽电-磁-流场耦合仿真及性能评估方法

摘要

铝电解槽内电-磁-流场等物理场的相互耦合作用，对铝电解槽的稳定性、电流效率、电耗和槽寿命等经济指标有着重要影响。因此，研究铝电解槽多物理场的耦合关系，进行电-磁-流场的耦合仿真，并根据各物理场场量与槽稳定性，电流效率和电耗之间关系，提出衡量铝电解槽综合性能的评估方法，对电解槽结构的优化设计和开发新型电解槽具有重要的实际指导意义。
　　 本文以320kA预焙铝电解槽为研究对象，深入分析铝电解原理和电解槽结构，研究铝电解槽各物理场的特点及其各物理场间的耦合关系，为搭建铝电解槽内电-磁-流场耦合仿真平台和提出综合性能评估方法提供了理论依据。论文主要研究工作包括:
　　 (1)在ANSYS软件环境下，建立用于电-磁-流多物理场耦合仿真的320kA预焙铝电解槽实体模型和有限元模型，基于ANSYS有限元法完成了电磁场计算，得到了电磁场的分布规律。
　　 (2)根据流场仿真的内容简化铝电解槽模型，基于FLUENT软件及其有限体积法建立了带母线以及不带母线的两种湍流模型，借助于中南大学高性能计算平台完成计算，得到流速、界面波动以及电磁力的仿真结果，并从这三方面对流场进行了分析，论证了所建湍流模型的正确性以及建模方案的有效性。
　　 (3)分析影响铝电解槽稳定性和能耗的相关因素，提出了一种基于电磁力信息熵的槽稳定性与能耗的综合评价方法，并应用于不同极距配置下320kA铝电解槽的电磁场研究。研究表明，该指标能够有效地对槽稳定性和能耗进行综合评估，且其评估结果揭示了极距对铝电解槽的稳定性、电流效率和槽电压的影响规律，并得到320kA铝电解槽高效运行时的极距配置。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 研究意义与目的

1．3 国内外研究现状

1．3．1 铝电解槽物理场仿真的研究现状

1．3．2 铝电解槽性能的研究现状

1．4 研究内容及论文的结构安排

第二章 铝电解槽物理场特点及其耦合仿真方法

2．1 铝电解的原理

2．2 铝电解槽的结构

2．3 铝电解槽的物理场

2．4 铝电解槽物理场仿真方法

2．4．1 单物理场仿真

2．4．2 多场耦合仿真

2．5 本章小结

第三章 320kA铝电解槽模型建立及其电磁场仿真计算

3．1 ANSYS有限元分析

3．1．1 有限元方法简介

3．1．2 ANSYS在铝电解槽物理场仿真中的应用

3．2 铝电解槽模型建立

3．2．1 实体模型建立

3．2．2 有限元模型建立

3．3 电-磁-流物理场分析

3．3．1 电场分析

3．3．2 磁场分析

3．3．3 流场分析

3．4 基于ANSYS铝电解槽电磁场的仿真

3．4．1 电场仿真

3．4．2 磁场仿真

3．5 本章小结

第四章 基于FLUENT的320kA铝电解槽流场的仿真计算

4．1 FLUENT仿真软件介绍

4．1．1 FLUENT软件的特点与结构

4．1．2 FLUENT在流场计算中的应用

4．2 铝电解槽流场模型建立

4．2．1 流场有限元模型

4．2．2 铝电解槽流场VOF模型建立

4．2．3 流场求解模型建立

4．3 流场仿真与分析

4．3．1 仿真步骤

4．3．2 仿真结果分析

4．4 本章小结

第五章 铝电解槽的槽稳定性与能耗的综合评估方法

5．1 基于电磁力信息熵的铝电解槽稳定性研究

5．1．1 稳定性机理

5．1．2 槽稳定性与电磁力之间的关系

5．1．3 基于电磁力信息熵的槽稳定性的评估方法

5．2 铝电解槽的经济指标

5．2．1 电流效率

5．2．2 铝电解槽能耗的计算方法及其影晌因素

5．3 铝电解槽稳定性与能耗的综合评估方法

5．4 不同极距下铝电解槽的运行评估分析

5．4．1 稳定性分析

5．4．2 电流效率分析

5．4．3 槽电压分析

5．5 综合评估结果

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 论文主要工作和研究成果

6．2 展望与建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的主要研究成果