[发明专利]一种铝电解槽电场仿真分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝电解槽电场的仿真分析方法，尤其涉及到铝电解槽三维模型有限元分析并行计算的区域划分决策过程。

背景技术

铝电解槽是铝电解生产的核心设备，其内部电场、磁场及流场等物理场的分布对铝电解槽的电流效率、直流电耗、槽寿命等主要技术经济指标有重要影响。而电场又是电解槽运行的能量基础，是其它各物理场形成的根源。因此,对电场的研究十分重要。但在实际生产中，电场分布很难直接测量，所以铝电解槽电场分布的计算机仿真研究对电解槽设计和铝电解生产具有重要意义。

伴随铝电解槽仿真模型的规模越来越大，精度要求越来越高，其有限元分析必将花费更多的时间，传统的串行计算方式已经难以承受日益增大的计算规模，主要体现在计算机内存容量和计算速度两个方面，有限元分析与并行计算的结合是一种必然的趋势。虽然大型通用有限元软件如Ansys等具有并行计算功能，但由于这些软件的封闭性，针对不同模型进行并行计算时，难以有针对性地采用相适宜的不同区域划分策略，从而影响了其计算效率。区域划分作为并行计算任务分配的一种典型应用，区域划分结果对有限元并行计算的效率有着至关重要的影响，一个易于实现的、普遍适用的、性能良好的划分算法可以保证有限元并行计算高效进行。常见的有限元并行计算区域划分方法主要有多层次分区法和ANP算法。多层次分区法基于图论观点、采用多层次策略来解决区域划分问题，在进行区域划分时可能造成划分子区域间通信较多，影响后续计算。ANP算法虽然可以取得较佳的区域划分结果，但是在子区域决策阶段，每次遍历仅仅选取节点权值最小节点的步骤严重浪费了遍历的时间消耗，随着模型规模扩大，算法执行时间大大增加。

发明内容

本发明提供一种提高电场仿真分析效率的铝电解槽电场仿真分析方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种铝电解槽电场仿真分析方法，包括以下步骤：

步骤1)通过铝电解槽模型数据建立铝电解槽电场三维仿真模型；

步骤2)采用动态自适应的ANP算法对铝电解槽进行区域划分；

步骤3)采用有限元并行计算仿真分析方法得到铝电解槽电场分布。

优选地，步骤2)包括以下步骤：

步骤2-1)读入模型的有限元单元与节点文件，计算每个节点的单元连接数，记为α_i，作为节点的初始值；

步骤2-2)统计模型的整体几何信息，得到x轴、y轴、z轴三个方向的距离最大值：x_max、y_max、z_max，并确定模型最长方向；

步骤2-3)调整节点权重，使最长方向的节点权重增加，假设x轴为模型最长方向，x_i为节点当前的横坐标值，由此得到节点的最终权重:γ_i＝α_i+extra,其中

p为待划分子区域的个数；

步骤2-4)对子区域依次进行下面的操作：

①确定当前子区域的第一个节点，该节点具有最小的权重，尚未属于任何子区域，且不位于已划分的子区域边界；

②将和该节点相连的未标记单元依次加入子区域中，并进行子区域归属标记，同时将加入单元的每个节点γ_i、α_i减1；

③从已经加入子区域的节点中选择γ_i最小且α_i不为零的前an节点，其中an为一从前期到中期逐渐增多的动态添加值；

④重复②～③的操作，直到子区域的单元数达到(表示向上取整)个，其中N_e为模型的单元总数；

步骤2-5)如果已经划分的子区域尚未满足p个，则重复步骤2-4)的步骤。

优选地，其中T_count为待加入节点的规模，为三维有限元模型特征参数，P_ro为避免开始或者结束阶段可能出现的异常情况的过程参数，ceil指取得比当前值大的最小整数。其中是一个经验常数，过程参数N_M代表子区域的单元个数，即Q_count代表当前已经添加的单元个数。即动态添加值an是根据模型的规模、复杂程度和划分阶段变化特性来动态确定的。

本发明的有益效果是：

相对于现有技术中区域划分的单点添加，本发明采用动态自适应添加，在大规模模型中，算法的执行时间大大减少。