基于ansys的铝电解槽热电设计的现代化有限元模型

摘要

热平衡和磁流体动力学对铝还原电池的设计至关重要，因为它们在很大程度上决定了它的操作窗口。此外，不充分的衬里设计通常会导致电池性能下降和过早失效。衬里设计的第一个任务是确定冻结壁架的位置和电池过热的一系列操作参数。

虽然已经提出了几种不同的建模方法和计算领域来解决Stefan问题，但由Dupuis[1]首先提出的一种被广泛接受的方法是基于热电(TE)有限元(FE)模型中壁架前端的迭代重新定位。该算法根据计算得到的温度场对凝固前沿节点进行连续位移，直至整个壁架-液界面达到浴液凝固温度。过热度被调整，以尽量减少电池内部产生的热量和控制体积上的综合热损失之间的差异。最初，这种方法仅限于沿壁架厚度水平移动的两层一阶元素，不包括液体。

本文对原始方法进行了推广和改进，在包括金属垫层和槽层的情况下，可以使用任意数量的一阶或二阶元素通过壁架厚度来预测壁架轮廓。所提出的建模框架已在ANSYS中使用ANSYS参数化设计语言(APDL)脚本语言实现，旨在最大限度地减少移动支架的计算成本。另一个好处是开发的通用核心宏还可以有效地处理任何方向的窗台前位移。当前的技术ANSYS元素，以这样的方式，可以利用高性能计算求解器。

本文通过比较虚构的300 kA单元技术获得的结果与标准方法计算的结果，说明了这种改进方法的稳健性。