大容量节能铝电解槽多物理场耦合建模及结构优化研究

【摘要】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,结合实际算例指出,不预设熔体温度是电场和热场实现完全耦合的前提,而在耦合模型中全面引入并准确描述各热源大小及分布(包括产热源和吸热源)是电-热场计算获得可靠结果的关键。(3)提出应采用界面更新理论描述铝液-电解质界面附近的传质行为,以界面上湍动能耗散率大小及分布为关键指标,建立了关联熔体运动的铝电解槽电流效率全域计算模型,并将该模型有效应用于大容量铝电解槽的全槽与局部电流效率分析。(4)应用三维瞬态三相磁流体模型和电流效率模型对采用不同阴极结构的同一型号大容量槽的磁流体行为及对应电流效率进行了分析,结果表明,相较于采用普通阴极,在该槽上采用本文设定的异形阴极方案、新型导电结构阴极方案与高导电阴极钢棒方案均使该槽的铝液、电解质流速在不同程度上下降,其中,异形阴极方案下电解质流速降幅偏大,对氧化铝在电解质中的分散不利；三种方案均使该槽的铝液-电解质界面扰动有所减小,异形阴极方案在减少界面上大变形区域方面显现出一定作用,另两种方案的降界面扰动效果与两者的降铝液水平电流效果成正比；异形阴极方案使该槽电流效率略有下降,另两种方案未使电流效率发生明显变化。(5)采用电解质-气泡流动模型对不同结构阳极在促进阳极气泡排放方面的效果进行了计算,建立基于二次电流分布的电场-阳极消耗瞬态模型对不同结构阳极在电解过程中的形状及电流密度分布的演变进行了分析,结果表明,采用倒角阳极、倾斜底面阳极与开槽阳极均有助于降低电解质中的气泡含量,其中,开槽阳极效果相对最为显著,倒角阳极次之,开槽位置、预加工倒角大小、倾斜底面坡度均对促排气效果有影响；相较于普通阳极,倒角阳极、倾斜底面阳极经反应到达稳定形状所需时间更短,预加工倒角或倾斜底面可在一定程度上提高电解初期阳极电流分布均匀性。
【作者】徐宇杰；
【导师】李劼；
【作者基本信息】中南大学，冶金工程，2014，博士
【关键词】铝电解槽；多物理场；结构优化；建模；

【参考文献】
[1]吴艳君.基于AMDF的脉搏周期提取算法改进[D].江西财经大学,计算机软件与理论,2013,硕士.
[2]刘懿孟.规范我国公务员考录职位资格设置的路径探析[D].安徽大学,法律,2013,硕士.
[3]周登科.单吹颗粒镁铁水脱硫喷吹控制策略及实现[J].冶金自动化.
[4]张斌.S，S-氰戊菊酯间接竞争酶联免疫吸附测定方法研究[D].南京农业大学,农药学,2011,硕士.
[5]张丽静.后殖民语境下《水浒传》英译文化词语转换研究[D].天津财经大学,英语语言文学,2012,硕士.
[6]王文俊.普通高校教育成本分析与控制研究[D].沈阳理工大学,会计学,2012,硕士.
[7]郭磊,郭创新,曹一家,朱传柏,潘坚跃.基于面向对象技术的变压器三维图形建模[J].电力系统自动化,2010,20:60-65+76.
[8]艾欢.胡哲敷《历史教学法》研究[D].湖南师范大学,学科教学（专业学位）,2013,硕士.
[9]马鹏翔.基于能源视角的长江上游产业结构调整研究[D].重庆工商大学,区域经济学,2011,硕士.
[10]曹纯斌.张载哲学“感”范畴研究[D].湖南师范大学,中国哲学,2013,硕士.
[11]冯雷刚.非水相脂肪酶催化合成糖酯的研究[D].天津科技大学,发酵工程,2004,硕士.
[12]梁莹.新媒体艺术在移动终端中的应用及影响[D].西北大学,美术（专业学位）,2014,硕士.
[13]黄飞.非农收入、技术特征与农户风险规避行为[D].南京农业大学,农业经济管理,2011,硕士.
[14]丁瑜.中国市场上定向增发中机构投资的角色和利益输送研究[D].中国科学技术大学,金融工程,2014,硕士.
[15]于丽娜.社会工作对唇腭裂患者及家庭的介入分析[D].山东大学,社会工作（专业学位）,2013,硕士.
[16]刘璐.农村客运站场建设项目国民经济评价理论研究[D].长安大学,技术经济及管理,2014,硕士.
[17]贾宏信.干酪乳杆菌LC2W在切达干酪中的应用研究[D].上海海洋大学,食品科学与工程,2013,硕士.
[18]俞汉生.防爆叉车的设计研究[D].长安大学,机械工程（专业学位）,2013,硕士.
[19]刘巍.异构CAD模型虚拟装配技术研究[D].华中科技大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[20]赵道远.三聚氰胺和甲醛电化学分析方法的建立与应用[D].南京农业大学,农业推广,2012,硕士.
[21]肖沙沙.高速公路交通噪声预测方法对比研究与工程应用[D].长安大学,道路与铁道工程,2014,硕士.
[22]杜玮璐.微博信息流扩散的时空特征研究[D].河北师范大学,人文地理学,2014,硕士.
[23]林波.几类具有不同移除率的蓝藻治理模型的研究[D].山西师范大学,应用数学,2014,硕士.
[24]夏旭.财政支出对地区经济增长的影响研究[D].西南交通大学,区域经济学,2013,硕士.
[25]王鹏耀.网络能力对企业绩效影响的研究[D].北京交通大学,2011.
[26]贺小林.我国城镇居民基本医疗保险政策分析与制度完善[D].复旦大学,社会管理与社会政策,2013,博士.
[27]张建钧.鄂尔多斯市产业转型战略研究[D].内蒙古大学,高级管理人员工商管理,2013,硕士.
[28]华凌.一种铋—锑化合物特性类似石墨烯[N].科技日报,2012-04-26002.
[29]周世香.农业水利投资效率实证研究[D].西北师范大学,财政学,2013,硕士.
[30]雷宇.BSIET公司球团干燥室项目施工管理优化研究[D].吉林大学,工业工程,2014,硕士.
[31]黄欣.从目的论看商务口译中模糊语言的功能和处理[D].福建师范大学,英语口译（专业学位）,2012,硕士.
[32]黄佳琳.20世纪80年代以来江浙沪农村宗教信仰状况考察[D].华东师范大学,中国近现代史,2004,硕士.
[33]陈刚.小学英语教材编写中多维大纲顺序问题研究[D].上海外国语大学,英语语言文学,2014,硕士.
[34]李洋.新疆高校维吾尔语专业学生交际意愿与动机的调查研究[D].新疆师范大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[35]包承忠.宝钢一期工程控制用计算机概况(下)[J].冶金自动化,1986,01:8-14+63.
[36]仇晓芬.齐次分层垫片上的“热点”猜想[D].浙江大学,应用数学,2013,硕士.
[37]陈烨.精益六西格玛管理在不锈钢制造企业的应用研究[D].浙江工业大学,2013.
[38]马骏.基于轻量级工作流模型的生产制造项目管理系统的设计与实现[D].天津大学,软件工程,2013,硕士.
[39]周祥宝.用马克思主义文化理论指导当代中国农村文化建设[D].辽宁工业大学,马克思主义基本原理,2013,硕士.
[40]赵梁.自媒体在突发事件报道中的作用及其发展趋势[D].河北经贸大学,新闻学,2012,硕士.
[41]沈国函.牙周基础治疗对慢性牙周炎合并冠心病的老年患者IL-8、IL-10水平的影响[D].大连医科大学,口腔临床医学,2012,硕士.
[42]吴昊.论埃里克·惠特克合唱创作中的新古典主义特征[D].华中师范大学,音乐学,2013,硕士.
[43]王国弘,张治河.我国技术经济学科教育发展现状与思考[J].技术经济,2012,06:21-26.
[44]曾炜光.小学英语课堂提问的有效性研究[D].湖南师范大学,教育（专业学位）,2013,硕士.
[45]周春磊.钒取代型多酸复合薄膜的制备及传感性能研究[D].哈尔滨理工大学,2015.
[46]陈明珠.高中历史教科书中史料运用研究[D].华中师范大学,学科教学,2014,硕士.
[47]孙洁,赵强强,王成群,蔡再生.聚乳酸/POSS纳米复合材料的研究进展[J].工程塑料应用,2013,05:112-116.
[48]李小芹.基于契约学习理论的中学信息技术教学模式研究[D].东北师范大学,现代教育技术,2012,硕士.
[49]覃雯霞.基于森林认证的三门江林场森林资源资产评估[D].中南林业科技大学,林业,2014,硕士.
[50]陈建慧.有机功能化修饰的碳纳米复合材料的制备及其电化学性能的研究[D].南京航空航天大学,2014.