铝解化槽外侧壳体散热器多维摹拟研讨

　　物理和数学模型本文以某厂的240kA预焙铝电解槽为研究对象，考虑到铝电解槽的对称性及研究侧壁散热的特殊性，对大型预焙铝电解槽物理模型做如下简化：（1）取铝电解槽大面半槽三维切片作为研究对象。沿槽的长、短轴对称面两侧的电、热场呈轴对称分布，解析区域与其它区域无热电传递；（2）考虑到阳极焦耳热及铝导杆对侧部散热的影响较小，因此省去阳极导杆和钢爪，阳极部分仅做热解析，阴极区域做电热解析；（3）铝电解槽及其解析域的电、热场参数属于稳态场；铝液高度与电解质高度各处均匀。

　　在边界条件的处理上，与以往二维模型略有不同，下面仅就不同处加以说明：（1）模型槽壳外部边界加以定温条件，即在熔体区、阴极区和保温区的特征点加以实测的侧壁温度值；（2）熔体与槽帮间的换热系数根据各位置熔体流速不同由经验公式5、6算出，并根据槽壳侧壁特征点的温度加以修正；（3）槽帮的初始位置由实测得到，槽帮位置依据文献7的解析流程来确定；（4）侧部槽壳肋板及槽沿板施加对流和辐射耦合的边界条件；（5）不同切片的内外部以及同一切片侧部槽壳不同区域的外部表面传热系数不同；（6）阴极炭块上表面取为零电位，阴极棒施加电流负载，其电流值为总电流的平均分摊值。

　　在分析槽壳热辐射换热过程中的面与面之间辐射问题时，角系数的确定往往比较复杂，为此，对三维切片模型将采用ANSYS的AUX12矩阵生成器，用于计算各辐射面之间的角系数矩阵，并将其作为超单元进行热分析，提高了计算精度。

　　仿真结果与实测散热量基本相符，大误差为熔体区1000W/m2（约为92），阴极区471W/m2（约为6.1），保温区99W/m2（约为4.3）。造成误差的原因可能是未考虑阳极焦耳热及覆盖层、钢爪、导杆的散热对侧部散热的影响，以及现场测试中的测量误差等等，这些都可能会对结果产生一定的影响。在实际生产中，由于钢板表面覆有积灰等杂质，将会对黑度有一定影响；此外，热流计在不同的测量位置上，测得的数值也是不同的，这些都必然使测试结果与仿真结果产生一定的误差。总体来看，这一误差在工程上基本可以接受。仿真结果与实测值在熔体区与阴极区误差较大，这是由于这些区域结构、换热复杂，换热量较大，阴极钢棒散热也有一定影响。且在实际传热过程中，材料的热物性参数变化及各种热扰动等方面，使得计算结果与实际存在一定的差距，但总体上验证了模型和计算的可靠性。

　　结语本文在合理简化的基础上，针对具体槽型，建立了铝电解槽侧部槽壳散热三维仿真模型，此模型和计算方法更符合于实际情况。在计算槽壳散热时，将对流和辐射耦合计算（不再使用复合换热系数统一求解），充分考虑了槽壳结构对散热的影响，采用ANSYS的AUX12矩阵生成器，计算各辐射面之间的角系数矩阵，提高了计算精度。仿真得出了侧部槽壳温度及散热损失的分布规律，为准确计算和分析铝电解槽侧部槽壳散热提供了一种可靠的研究方法。