[发明专利]一种基于热-流耦合的铝电解槽三维炉帮的评估方法

摘要

本发明涉及一种基于热‑流耦合的铝电解槽三维炉帮的评估方法；属于铝电解槽设计技术领域。本发明方法基于铝电解槽的结构及运行工艺条件，采用有限元和有限体积计算理论及方法，建立铝电解槽热‑流场耦合模型，计算得到铝电解槽的炉帮形状，根据计算结果评估该条件下铝电解槽的工效。本发明方法考虑了铝电解槽内熔体流动对炉帮凝固的影响，同时依靠实际测试数据对模型进行校准,可计算得到与实际较为相符的炉帮形状，为电解槽的设计、生产的优化控制提供有效的支撑。

主权项

1.一种基于热‑流耦合的铝电解槽三维炉帮的评估方法,其特征在于包括下述步骤：步骤(1)：获得铝电解槽的结构参数及铝电解槽运行工艺条件所述铝电解槽结构参数包括槽体各部分的尺寸和槽体各部分的材料属性参数，其中，槽体各部分的尺寸是指阳极、阴极、炉膛以及内衬材料的长度、宽度以及高度或厚度；槽体各部分的材料属性参数是指槽体各部分的导热率、导电率、磁导率、密度和比热容，以及熔体的粘度和熔化潜热；所述铝电解槽运行工艺条件包括极距、电解质水平、铝水平及槽系列电流值；步骤(2)：建立铝电解槽电热场模型和电磁场模型依据步骤(1)获得的数据，并使用假设的初始炉帮形状，根据有限元理论及方法建立铝电解槽电热场模型和电磁场模型；步骤(3)：提取电热场模型中槽膛区域的焦耳生热率分布、提取电磁场模型中槽膛区域的电磁力密度分布设定步骤(2)得到的电热场模型和电磁场模型的边界条件，并求解电热场模型和电磁场模型，根据运算结果提取电热场模型中槽膛区域的焦耳生热率分布、提取电磁场模型中槽膛区域的电磁力密度分布；步骤(4)：求解炉帮形状的理论分布建立起铝电解槽凝固传热仿真计算数学模型与铝电解槽流动耦合仿真计算数学模型，并导入步骤(3)得到的焦耳生热率分布作为热源St，导入电磁力密度分布作为动量源项Sv，利用有限体积法求解数学模型得到炉帮形状的理论分布；步骤(5)：校准和验证数学模型以已有的铝电解槽为对象，通过步骤(1)‑(4)求解所得的炉帮形状的理论分布计算得到该已有的铝电解槽n个位置的炉帮形状；然后测量该已有的铝电解槽n个位置的实际炉帮形状；根据实际炉帮形状校准边界条件；得到校准后的边界条件；步骤(6)：电解槽的运行效果的评估利用步骤(5)所得校准后的边界条件以及步骤(4)所得铝电解槽凝固传热仿真计算数学模型与铝电解槽流动耦合仿真计算数学模型；设定不同的槽结构设计参数与运行参数，根据设定的槽结构设计参数以及运行参数计算出该条件下炉帮形状；并根据炉帮的厚度对不同条件下电解槽的运行效果作出评估。