[发明专利]一种铝电解氧化铝颗粒溶解过程多尺度建模与计算方法

说明书

本发明公开了一种铝电解氧化铝颗粒溶解过程多尺度建模与计算方法，建立某工业铝电解槽三维计算几何模型并进行网格划分；建立精准描述铝电解槽熔体内气泡聚并和破碎行为的介观尺度数学模型；精准导出铝电解槽内熔体所受的三维空间气液相间作用力数据，将熔体所受电磁力和气液相间作用力三维空间数据进行耦合及嵌套处理；构建描述铝电解槽内氧化铝颗粒溶解过程的多尺度液固两相流模型，耦合多相流动、多物理场作用、相间传热传质、氧化铝颗粒球收缩行为等。本发明的方法能够精准计算和预测大型工业铝电解槽内氧化铝颗粒的溶解行为，具有较好的适用性和推广性，有助于科学指导工业铝电解氧化铝下料工艺的优化设计，为实际铝电解槽的高效稳定生产提供理论指导。

技术领域

本发明属于铝电解多相流数值模拟技术领域，尤其涉及一种铝电解氧化铝颗粒溶解过程多尺度建模与计算方法。

背景技术

铝电解工业作为典型的高耗能、高污染、高碳排放的传统冶金行业，其绿色转变不仅关系到国家节能减排约束性目标的实现，还关系到国家绿色经济发展的转型。因此，在国家倡导节能减排和低碳经济的背景下，探索和开发高效节能环保铝电解技术是我国冶金产业转型与绿色发展中需要考虑的重要发展思路和方向。

随着现代大型、超大型及新型铝电解槽的兴起以及低温、低电压等节能型铝电解新技术的发展，在为大力提高铝产率而加大阳极、电解质容积进一步减少的情况下，单个下料点混合区域溶解氧化铝颗粒的能力也越来越差，槽内氧化铝浓度梯度明显增加。氧化铝颗粒溶解问题和氧化铝浓度分布的控制问题已日益成为困扰现代铝电解工业的难题与制约铝电解技术发展的瓶颈。深入探索并掌握高温铝电解多相多场环境下氧化铝颗粒的多尺度溶解特性及机理，最大程度寻求改善氧化铝颗粒溶解性能并提高槽内氧化铝浓度时空分布均匀性的措施，以期获取科学精准的下料工艺控制及电解生产设计理念体系，对于维持现代铝电解过程的高效稳定运行、降低电解能耗及减少碳排放具有重要的应用价值。

在铝电解过程中，低温氧化铝颗粒经下料点进入熔融电解质内，主要完成溶解与扩散等过程，是一个典型的多相(气泡、熔体、氧化铝颗粒)、多场(电磁场、流场、温度场、浓度场等)、多组分(冰晶石、氧化铝)扩散及传热传质等交互作用的复杂过程。目前相关传统实验研究方法仍主要停留在实验室极小尺度规模电解槽内的氧化铝颗粒溶解过程的定性分析与描述上，难以获取和表征工业槽内宏观的流体流动、温度场、氧化铝浓度等关键场参数的演变规律。相关传统的简化数学建模研究往往忽略实际氧化铝颗粒的溶解行为，也缺乏深入科学定量描述氧化铝颗粒溶解与扩散行为规律及其与多相、多场等的耦合作用和内在关联。本发明将研究氧化铝颗粒溶解介观模型与宏观多相、多场计算模型之间的参数关联与耦合策略，实现工业铝电解槽内氧化铝颗粒溶解全过程的多尺度耦合模拟与计算，有助于加深对铝电解氧化铝颗粒溶解过程的本质认识，为高效铝电解氧化铝下料控制技术提供强有力的理论指导和技术参考。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提出了一种铝电解氧化铝颗粒溶解过程多尺度建模与计算方法，本发明能准确地揭示实际工业铝电解槽内氧化铝颗粒溶解行为及其影响规律，有利于科学指导实际铝电解氧化铝下料设计和应用。

本发明所采用的技术方案如下：

一种铝电解氧化铝颗粒溶解过程多尺度建模与计算方法，包括如下步骤：

步骤1，根据工业铝电解槽的结构参数，建立工业铝电解槽三维计算几何模型，并进行网格划分和网格加密处理；所述结构参数主要包括阳极、大面、小面、阳极中缝、阳极间缝、极距及电解质高度等基本尺寸参数；

步骤2，完善考虑气液相间作用力、相间湍流和气泡诱导液相湍流的影响，基于FLUENT模拟计算平台，建立精准描述铝电解槽内气泡聚并和破碎行为的介尺度数学模型；

步骤3，导出铝电解槽内熔体所受的三维空间气液相间作用力数据，将熔体所受电磁力和气液相间作用力三维空间数据进行耦合及嵌套处理；