铝电解槽电、热场仿真计算的若干基础问题研究

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铝电解槽物理场仿真计算是铝电解技术发展的热点之一,而电、热场的模拟计算是现代大型铝电解槽设计的基础。本文的研究内容分两部分,一是研究设计出铝电解槽电、热场可视化界面仿真系统,用于解决应用ANSYS软件仿真计算电、热场时,参数修改存在的困难;二是研究制备了一套测量材料导热系数的实验装置,解决物理场计算过程中重要参数的缺失和不足等问题。  铝电解槽中电、热场的分布状况直接影响到电解槽的稳定性及电流效率和能量消耗,因此,对于电、热场分布状况的深入研究具有重要意义。ANSYS自带的参数化设计语言APDL可以实现参数化建模分析,但是APDL不提供图形化输入界面,而且至今没有理想的汉化版本,一般分析人员不易掌握。尤其当模型较复杂或需要修改较多时,不仅对设计人员要求较高而且耗时费力。  为了解决ANSYS有限元分析中存在无可视化界面的缺陷,本文基于MATLAB软件平台,建立了铝电解槽电、热场模拟的用户友好界面系统。该可视化界面便于使用人员掌握,方便修改参数,而且可以即时显示出ANSYS的分析结果,并直观全方位的展现给科研人员,便于科研人员观察、分析。本文所设计的可视化界面仿真系统的思想可以为以后的仿真工作提供很好的经验。  此外,对铝电解槽的电、热场进行仿真计算时,导热系数是材料的重要属性之一,对计算结果有很大的影响。在多数的文献中,导热系数的数据都是依据经验值直接被采用的,但事实上导热系数与材料的组成成分、性质、状态、内部结构等很多因素有关,因此,直接引用经验数据有失准确性,而通过实验来具体测量比较符合实际情况。另一方面,在工业铝电解槽中,内衬材料的导热系数是热平衡计算的重要数据之一,尤其是电解槽侧部结壳的导热系数。由于导热系数因物质成分、质构、结构的不同而有所差异,用理论计算的方法来确定是十分困难的,所以实验测量是获得物质导热系数的重要途径。  本文设计制作出了一套导热系数的测量装置,并测量了不同材料的导热系数。通过与文献数据进行对比,认为使用此导热系数测量系统可以比较准确的测量出定型材料、非定型材料粉末及熔盐的导热系数。通过测量不同温度下材料的导热系数,探明了所测材料导热系数与温度的关系,同时还发现分子比大的冰晶石导热系数较大。
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