ANSYS在铝电解槽电-磁-流场仿真分析中的应用

本文提出了目前铝电解槽电－磁－流场的仿真分析技术亟待解决的问题，即电解槽模型的优化、更加接近实际生产情况的边界条件的加载、铝液－电解质界面变形的深化研究、针对不同槽型与不同工艺条件的磁流体稳定判据以及全息仿真技术与在线动态仿真技术的研发。

1 前言

目前，工业生产金属铝的方法为Hall-Héroult熔盐电解法。作为该方法的主体设备，铝电解槽经历了由自焙阳极电解槽到预焙阳极电解槽的标志性变化阶段。上世纪80年代中叶，铝电解槽开始朝着大型化、生产过程控制自动化的方向迈进。以计算机仿真分析为技术手段的铝电解槽多物理场耦合研究，为大型、超大型高效节能电解槽的开发、优化设计及操作运行管理奠定了基础。

电流场是电解槽运行的能量基础，是其他各物理场形成的根源；电流产生磁场，磁场的分布影响电解质与铝液的运动即流场的状态；流场的状态又反过来影响电流分布与磁场的分布。电场、磁场、流场复杂的耦合关系贯穿于整个铝电解过程，对铝电解槽的电流效率与能量消耗有着很大的影响，其优化研究工作是铝电解工程设计最基本也最为重要的工作之一。

可用于铝电解槽物理场仿真分析的商业软件很多，如：多用于电热分析的软件MARC；多用于磁流体稳定性及波动分析的软件PHOENICS/ESTER；多用于结构分析的软件ADINA、SAP等。除此之外，国外各大铝业公司也开发了各自的计算软件包，如俄罗斯铝业公司的BLUMS、加拿大铝业公司的ALUCELL等。截至目前，被广泛应用的是融电、热、磁、流、结构分析于一体的，并具备多物理场耦合分析功能的有限元分析软件ANSYS。

2 ANSYS在铝电解槽电－磁－流场仿真分析中的应用进展

2.1 ANSYS在铝电解槽电场仿真分析中的应用进展

Dupuis等最早在ANSYS有限元软件平台上计算了电解槽的3D电场分布，并将计算结果应用于炉膛内形、热平衡及磁场分布计算。国内方面，李劫、周乃君、喻海良等人以ANSYS为平台，，建立了包含工字钢部分在内的铝电解槽3D几何模型，计算了铝电解槽内部各导电部分电位分布情况。

近年来的研究中，母线导体与槽内导体采用一起建模的方式。国际方面，Dupuis等开发了基于ANSYS软件的3D实体母线模型和基于TECPLOT软件的1D槽内导体和母线系统模型，优化了大型预焙槽的母线设计方案。国内方面，贵阳铝镁设计研究院开发了一套基于ANSYS的通用性较强的母线电压平衡计算软件包，通过对母线电压的计算结果表明，存在某一电流密度可使母线用量最省，为国内大型预焙槽母线配置的优化设计奠定了基础。姜艳丽等人以ANSYS为平台，建立了160kA异型阴极电解槽的全槽模型，并应用link68单元，在阳极导杆上端面耦合节点上施加电压自由度，在其中的任一节点处施加电流，将阴极钢棒出口处设为基准电位面， 对160kA异型阴极电解槽各部分电流分布与电位分布进行了计算，得出：异型阴极电解槽的电解质电压降比普通阴极电解槽的电解质电压降低380mV；异型阴极结构电解槽铝液与电解质交界面的水平电流的绝对值小于普通阴极电解槽铝液与电解质交界面处水平电流的绝对值；异型阴极凸台表面上部铝液中X向水平电流较大，为探讨异型阴极电解槽的节能机理提供了依据。

刘伟等人以ANSYS为平台，把电接触模型纳入到阴极电压降的分析当中。将炭阴极与钢棒之间的实体与网格连接分离开来，取炭阴极与钢棒的交界面作为目标面，利用TARGEl70单元划分目标面，生成外法线指向钢棒的目标面单元；选择钢棒与交界面相邻的最外层单元，利用CONTAl73单元划分接触面，生成外法线指向炭阴极的接触面单元；铝液表面设为零电位边界条件，阴极炭块表面设为零电压边界条件；设定炭－钢、炭－糊、糊－钢电接触面的电阻率，并对320kA电解槽的阴极压降进行计算，计算结果与文献数据吻合较好，解决了以往通过增加内衬炭块电阻率或在内衬炭块与阴极钢棒之间增加“夹层”来考虑接触电压所带来的电力线向上偏移、焦耳热分布不合理的问题。高洁、阳春华等人利用ANSYS软件建立了竖向垂直出电电解槽的全槽模型，应用SOLID5单元，采用六面体映射结合扫略的网格划分方式，在阳极上表面施加电流强度，将零电势加载到阴极钢棒出电端面的节点上，对320kA竖向垂直出电电解槽的电流与电位分布进行计算，证明了该种槽型阳极电压降、阴极电压降及电解质电压降较普通槽略低，铝液中的水平电流较普通槽有所减小。

2.2 ANSYS在铝电解槽磁场仿真分析中的应用进展

针对铝电解槽磁场问题的有限元求解，国内外学者做了很多研究工作。

Dupuis等人最早尝试使用ANSYS软件建立了铝电解槽磁场模型，其中槽内实体导体包括电解质、铝液、浸入电解质中的部分阳极炭块、阴极炭块及阴极钢棒；槽内非导体结构包括槽壳、假定形状的炉帮，但是没有详细描述内衬结构；槽周围母线单元模型包括立柱母线、阴极母线、阳极导杆与钢爪：相邻电解槽线单元母线模型及电解系列回路母线。

Severo等人以ALGOR软件为前处理器、ANSYS软件为求解器，对240kA槽进行了磁场仿真研究，但是由于其母线模型采用link68单元建立，而这种单元只具有正方形截面实常数，采用该单元计算存在一定误差，因此无法满足大型铝电解槽复杂变截面的母线仿真计算要求。

杨溢等人阐述了大型预焙槽槽周母线、槽内导体、磁介质的适用方法，并将ANSYS与MATLAB、Visual Basic 混合编程，编制了磁流体稳定性软件PotMHD，可实现对磁场、铝液流速、磁流体稳定性的计算。

姜昌伟等人以ANSYS为平台，先用标量电位法计算出母线系统、阳极、阴极、熔体及阴极钢棒的电流密度分布，然后应用毕奥一萨伐定律、全标量磁位法和简化标量磁位法，将铝液下表面取角部一点作为磁位基准点，分别计算出各部分的磁感应强度。

闫照文用一定厚度的钢壳代替结构复杂的钢摇篮架，在ANSYS为平台上建立了四分之一槽磁场矢量法模型与全槽磁场标量法母线模型，明确了如何施加电磁场边界条件，求解了槽内导体的合成总磁场分布，通过与实测值比较验证了模型的合理性，简化了磁场计算模型的结构。

刘伟等人使用SOLID5六面体单元对槽内导体如炭阳极（浸入电解质部分）、电解质、铝液、炭阴极、阴极钢棒进行连续网格剖分，使用SOURC36单元对阳极导杆、钢爪、阴极母线、槽底母线、槽周母线、立柱母线进行建模，假设有限空气的外表面处于无限远处，在边界的节点上施加零磁标量位，应用标量磁位法求解了350kA电解槽磁场分布，计算结果与测量值较接近。

2.3 ANSYS在铝电解槽流场仿真分析及磁流体稳定性研究中的应用进展

Tarapore最先在185kA电解槽上将槽内导体电场、槽外母线磁场、槽壳铁磁屏蔽以及熔体湍流流动进行整合计算。作者把电磁力引入到N－S方程中，结合湍流k－ε模型对2D稳态流场进行了计算，但是计算结果存在一定的误差。

Severo等人最早在CFX平台上使用多相流模型和VOF自由面跟踪法研究了240kA电解槽的流场分布和界面变形，计算结果表明常数湍流粘度模型与k－ε、k－w模型相比更加接近实测流速和波形，电解质流动形态与铝液相近，两侧电磁力推动熔体向中间汇集使得自由界面向上隆起。

Kaenel与Antille以ANSYS为平台，研究了异型阴极与变电导率阴极钢棒结构两种形式的电解槽内部铝液流速与界面变形情况。研究结果表明，异型阴极结构电解槽铝液界面变形较小，但铝液流速略大于变电导率阴极钢棒结构电解槽内铝液流速，证明了异型阴极对于减小铝液波动的作用以及变电导率阴极钢棒结构对于减小水平电流的作用。

姜艳丽、王紫千等人以ANSYS为平台，采用FLUID142单元，将电解槽的四周边界的速度设定为零，加载实测的阳极电流分布值求得洛仑磁力，将洛仑磁力结果代入160kA新型阴极结构电解槽流场，对铝液流速分布进行计算，验证了新型阴极电解槽铝液流速要小于普通阴极电解槽铝液流速。

周孑民采用ANSYS与CFX相结合的方法，运用有限元及有限体积法与两相流模型对300kA铝电解槽导电磁流体的铝液、电解质两相湍流流动进行了研究，并耦合VOF算法追踪铝液界面波动，对正常工况及角部换极下的稳态流场进行了模拟计算，避免了一些学者由近似数学模型下求得特征波模式，或将铝液与电解质都作为单相流处理，未能充分考虑槽中电解质熔体与铝液的上下叠置、多相混合搅拌的耦合作用及其界面变化影响的弊端。

徐宇杰、李劼等人在CFX平台上建立了铝电解槽铝液、电解质、气泡稳态三相流非均相模型，对实际工业铝电解槽的全槽流动及电流效率损失机理进行了研究。研究结果表明，在电解质层中阳极气泡对流动的影响大于电磁力；在气泡作用的影响下，铝液－电解质界面上存在较清晰的阳极投影区；阳极下方区域的电流效率明显高于槽内其它区域。

刘伟应用有限体积法，通过将ANSYS中建立的铝液和阳极底掌以下的电解质单元电磁模型导入CFX中，对350kA电解槽铝液流场进行计算，计算值与实测值吻和较好。

杨溢、姚世焕应用ANSYS软件，研究了铝电解槽的稳定性机理。认为铝电解槽的稳定性是受水平电流、垂直磁场、铝液水平、极距、槽膛的长宽比所制约的，改善垂直磁场强度，使其在四个象限分布更为均匀，适当增高铝液水平和极距，减小水平电流密度，有利于磁流体的稳定，为工程设计提供了理论依据。

黄俊、姚世焕应用ANSYS软件，以230kA电解槽为研究对象，探讨了铝电解槽槽膛尺寸对磁流体稳定性的影响，认为当采用长度为1600～1700mm和宽度为700～780mm的阳极时，电解槽有较好的稳定性。

3 尚存在的问题及展望

多年来，国内外学者以ANSYS为平台对铝电解槽电、磁、流场做了大量数值模拟工作，取得了诸多成果，在一定程度上指导了工程设计与生产实践。但是，仍存在一些问题亟待深入研究解决。

（1）在电、磁场的计算中，假设所有阳极底掌均处于同一平面且每块阳极的电流是均匀分布的，这与实际情况差别较大。在实际生产中，各个阳极的消耗速度不尽相同，阳极底掌高度的差别可达1～2cm，再加上铝液、电解质波动的存在导致阳极电流分布的偏差可达1kA。因此，如何在建模、边界条件加载的过程中，完善这一问题还有待于研究。

（2）在流场的计算中，通常假设电解槽的槽膛形状是规则的、电解质与铝液之间没有质量与能量传递。然而，在实际生产中，槽膛形状是不规则的、电解质与铝液之间既有质量传递又有能量传递，造成流场的计算结果与实际测量值之间存在一定程度的误差。因此，应通过大量实测和工业试验验证等方法，进一步完善数学模型，确定各种边界条件和相关参数。

（3）目前关于铝液－电解质界面变形的计算还处于起步阶段，对于导致铝液－电解质界面变形的因素存在较大争论，还有待于深入研究。

（4）关于磁流体稳定性的计算方法还有待于深入研究，尤其是要加强在ANSYS、FLUENT、CFX平台上开发磁流体稳定性的计算程序，归纳总结出不同槽型、不同工艺条件下的磁流体稳定判据。

（5）对于铝电解槽电、磁、流场的仿真绝大多数还局限于静态研究，充分发挥ANSYS、FLUENT及CFX在数值模拟计算方面的强大功能，以其为平台，研发全息仿真技术以及在线动态仿真技术，真正实现从电解槽启动到平稳运行的全过程动态仿真，充分体现仿真技术的优越性，为优化工程设计及优化控制提供更科学、更有力的技术手段。