一种铝电解氧化铝颗粒溶解过程多尺度建模与计算方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。解槽的高效稳定生产提供理论指导。

【技术实现步骤摘要】
一种铝电解氧化铝颗粒溶解过程多尺度建模与计算方法


[0001]本专利技术属于铝电解多相流数值模拟
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。本专利技术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。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中的不足，本专利技术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，本专利技术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。
[0006]本专利技术所采用的技术方案如下：
[0007]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：
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]步骤4，基于FLUENT模拟计算平台，建立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、氧化铝颗粒球收缩等行为的过程；
[0012]步骤5，基于TECPLOT后处理平台，进行氧化铝溶解过程多尺度建模与计算结果的后处理分析。
[0013]进一步，步骤1中，采用结构化和非结构化网格相结合的处理方法对极距、阳极间缝及阳极中缝区域的网格数量进行了加密处理，以保证求解的精确性。
[0014]进一步，所述步骤2中建立描述铝电解槽内气泡聚并和破碎行为的介尺度数学模型的方法为：采用欧拉-欧拉双流体模型对铝电解槽内的气液两相流多尺度行为进行计算；其中，采用Grace曳力系数模型和Simonin湍流扩散力模型分别计算气液相间曳力和湍流扩散力；采用分散相标准k-ε湍流模型模拟液相湍流，采用Sato模型来修正液相湍流有效粘度；采用Luo气泡聚并模型和Luo气泡破碎模型分别对气泡聚并和破碎行为进行描述；基于上述多个模型，将气泡聚并模型、气泡破碎模型与气液两相流模型进行多尺度耦合建模，得到描述铝电解槽内气泡聚并和破碎行为的介尺度数学模型。
[0015]进一步，所述步骤3中提取铝电解槽内熔体所受的三维空间气液相间作用力数据的方法为：提取气液两相流多尺度计算域内各个网格单元的相间作用力分布数据。
[0016]进一步，所述步骤3中将电磁力和气液相间作用力数据进行耦合及嵌套处理的方法为：基于铝电解槽电磁场的ANSYS模拟仿真结果，导出FLUENT模拟计算能够识别和嵌套的液相计算域内各个网格单元的电磁力分布数据，并基于用户自定函数UDF进行高效插值转换处理，以体积力的形式作为多尺度液固两相流模拟中液相动量方程的源项。
[0017]进一步，步骤4中，建立工业铝电解槽内多尺度液固两相流数学模型，包括氧化铝颗粒群尺寸及数量分布演化行为子模型、氧化铝颗粒下料行为子模型、氧化铝颗粒群溶解行为子模型、氧化铝颗粒群消耗行为子模型、电解质内氧化铝组分扩散子模型、氧化铝颗粒群和电解质之间的传质行为子模型。
[0018]进一步，步骤4中，对工业铝电解槽内多尺度液固两相流数学模型进行非稳态求解计算，在下料周期结束时刻停止计算，保存下料周期内多个时刻的计算结果。通过非稳态求解计算可以确定氧化铝颗粒下料质量随时间的变化速率和单个下料周期内氧化铝浓度的分布规律，以更直接分析工业槽内氧化铝颗粒的溶解性能情况。
[0019]进一步，步骤5中，将FLUENT计算结果导出到TECPLOT后处理软件中，得到工业槽内氧化铝浓度的时空分布结果，分析氧化铝溶解行为特性及影响规律。
[0020]本专利技术的有益效果：
[0021](1)在工业槽内气液两相流多尺度计算模型中考虑阳极气泡的聚并和破碎行为，相对于以往数学模拟研究只采用单一气泡尺寸计算获得的相间作用力，更加精准计算和获
得了气液两相作用时的相间作用力，得到更准确的电解质流场计算结果，为建立合理的工业槽内氧化铝颗粒溶解行为的多尺度计算模型提供了理论基础。
[0022](2)与相关传统实验研究方法相比，通过多尺度数学建模和计算方法获得工业槽内流体流动、温度场、氧化铝浓度等演变规律，科学定量研究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。本专利技术研究结果能够直接便捷地显示工业铝电解槽内氧化铝浓度分布的时空演变特性，有助于技术人员深入掌握氧化铝颗粒溶解行为规律及影响，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，具有重要的理论意义和工程实用价值。
附图说明
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铝电解氧化铝颗粒溶解过程多尺度建模与计算方法，其特征在于，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；步骤4，基于FLUENT模拟计算平台，建立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、氧化铝颗粒球收缩等行为的过程；步骤5，基于TECPLOT后处理平台，进行氧化铝溶解过程多尺度建模与计算结果的后处理分析。2.根据权利要求1所述的一种铝电解氧化铝颗粒溶解过程多尺度建模与计算方法，其特征在于，所述步骤1中采用结构化和非结构化网格相结合的处理方法对极距、阳极间缝及阳极中缝区域的网格数量进行加密处理。3.根据权利要求1所述的一种铝电解氧化铝颗粒溶解过程多尺度建模与计算方法，其特征在于，所述步骤2中建立描述铝电解槽内气泡聚并和破碎行为的介尺度数学模型的方法为：采用欧拉-欧拉双流体模型对铝电解槽内的气液两相流多尺度行为进行计算；其中，采用Grace曳力系数模型和Simonin湍流扩散力模型分别计算气液相间曳力和湍流扩散力；采用分散相标准k-ε湍流模型模拟液相湍流，采用Sato模型来修正液相湍流有效粘度；采用Luo气泡聚并模型和Luo气泡破碎模型分别对气泡聚并和破碎行为进行描述；基于上述多个模型，将气泡聚并模型、气泡破碎模型与气液两相流模型进行多尺度耦合建模，得到描述铝电解槽内气泡聚并和破碎行...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹水清，江明镅，黄雨捷，杨建红，王军锋，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：