[發明專利]一種鋁電解氧化鋁顆粒溶解過程多尺度建模與計算方法

有效

• 申請號: 202011112283.0
• 申請日: 2020-10-16
• 公開（公告）號: CN112376083B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 詹水清;江明镅;黃雨捷;楊建紅;王軍鋒
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C25C3/18
• 分類號: C25C3/18;C25C3/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種鋁電解氧化鋁顆粒溶解過程多尺度建模與計算方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，根據工業鋁電解槽的結構參數，建立工業鋁電解槽三維計算幾何模型，并進行網格劃分和網格加密處理；所述結構參數主要包括陽極、大面、小面、陽極中縫、陽極間縫、極距及電解質高度的基本尺寸參數；

步驟2，完善考慮氣液相間作用力、相間湍流和氣泡誘導液相湍流的影響，基于FLUENT模擬計算平臺，建立描述鋁電解槽內氣泡聚并和破碎行為的介尺度數學模型；采用歐拉-歐拉雙流體模型對鋁電解槽內的氣液兩相流多尺度行為進行計算；其中，采用Grace曳力系數模型和Simonin湍流擴散力模型分別計算氣液相間曳力和湍流擴散力；采用分散相標準k-ε湍流模型模擬液相湍流，采用Sato模型來修正液相湍流有效粘度；采用Luo氣泡聚并模型和Luo氣泡破碎模型分別對氣泡聚并和破碎行為進行描述；基于上述多個模型，將氣泡聚并模型、氣泡破碎模型與氣液兩相流模型進行多尺度耦合建模，得到描述鋁電解槽內氣泡聚并和破碎行為的介尺度數學模型；

步驟3，導出鋁電解槽內熔體所受的三維空間氣液相間作用力數據，將熔體所受電磁力和氣液相間作用力三維空間數據進行耦合及嵌套處理；所述步驟3中將電磁力和氣液相間作用力數據進行耦合及嵌套處理的方法為：基于鋁電解槽電磁場的ANSYS模擬仿真結果，導出FLUENT模擬計算能夠識別和嵌套的液相計算域內各個網格單元的電磁力分布數據，并基于用戶自定函數UDF進行高效插值轉換處理，以體積力的形式作為多尺度液固兩相流模擬中液相動量方程的源項；

步驟4，基于FLUENT模擬計算平臺，建立描述鋁電解槽內氧化鋁顆粒溶解過程的多尺度液固兩相流模型，耦合多相流動、多物理場作用、相間傳熱傳質、氧化鋁顆粒球收縮的行為的過程；所述步驟4中，建立工業鋁電解槽內多尺度液固兩相流數學模型，包括氧化鋁顆粒群尺寸及數量分布演化行為子模型、氧化鋁顆粒下料行為子模型、氧化鋁顆粒群溶解行為子模型、氧化鋁顆粒群消耗行為子模型、電解質內氧化鋁組分擴散子模型、氧化鋁顆粒群和電解質之間的傳質行為子模型；

步驟5，基于TECPLOT后處理平臺，進行氧化鋁溶解過程多尺度建模與計算結果的后處理分析。

2.根據權利要求1所述的一種鋁電解氧化鋁顆粒溶解過程多尺度建模與計算方法，其特征在于，所述步驟1中采用結構化和非結構化網格相結合的處理方法對極距、陽極間縫及陽極中縫區域的網格數量進行加密處理。

3.根據權利要求1所述的一種鋁電解氧化鋁顆粒溶解過程多尺度建模與計算方法，其特征在于，所述步驟3中提取鋁電解槽內熔體所受的三維空間氣液相間作用力數據的方法為：提取氣液兩相流多尺度計算域內各個網格單元的相間作用力分布數據。

4.根據權利要求1所述的一種鋁電解氧化鋁顆粒溶解過程多尺度建模與計算方法，其特征在于，所述步驟4中，對工業鋁電解槽內多尺度液固兩相流數學模型進行非穩態求解計算，在下料周期結束時刻停止計算，保存下料周期內多個時刻的計算結果；通過非穩態求解計算可以確定氧化鋁顆粒下料質量隨時間的變化速率和單個下料周期內氧化鋁濃度的分布規律，以更直接分析工業槽內氧化鋁顆粒的溶解性能情況。

5.根據權利要求1所述的一種鋁電解氧化鋁顆粒溶解過程多尺度建模與計算方法，其特征在于，所述步驟5中將FLUENT計算結果導出到TECPLOT后處理軟件中，得到工業槽內氧化鋁濃度的時空分布結果，進而分析氧化鋁溶解行為特性及影響規律。