铝电解槽磁流体的两相模拟及其界面追踪

采用商业软件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300 kA铝电解槽导电磁流体的铝液、电解质两相湍流流动进行研究,并耦合VOF算法追踪铝液界面波动,模拟计算正常工况及角部换极下的稳态流场。研究结果表明:铝液流场基本呈现为2个大的漩涡,流场计算值与测试值比较接近;而在角部阳极更换后铝液中水平电流密度显著增大;在新阳极下方的铝液中形成较大速度涡旋,对流场的较大扰动导致界面波动幅度增加,极距减小;通过适当提升新极安装高度可增强磁流体的稳定性。     

铝电解阳极碳块析出气体引起的电解质/铝液界面波动

电解质/铝液界面波动对电解铝过程的稳定性和电流效率有重要影响,基于计算流体动力学(CFD)方法建立铝电解槽内电解质/铝液/析出气体的多相流体流动的数学模型,研究铝电解槽内阳极碳块析出气体引起电解质/铝液界面波动现象,并对比分析传统型、长凸台型和小方体型阴极对电解质/铝液界面波动的影响.结果表明,电解质/铝液界面波动的形成时间约为45 s,之后波动进入稳定期,波幅变化很小.三种形式的铝电解槽中铝液波动的趋势基本一致,其中,传统型铝电解槽内液面波动幅度最大,长凸台型铝电解槽内的铝液波动幅度最小.     

铝电解槽电压低频波动的研究

根据在工业侧部导电阳极铝电解槽上的观测,发现槽电压的低频波动与电解槽的工艺状况有密切的关系。槽电压的低频波动按其性质可归纳为“气膜电阻波动”、“铝液短路波动”、“极距周期起伏”和“电压随电流跃动”等四种基本类型。并且,它还可以进一步分为多种波动形式。不同波动形式是不同工艺状况的表现,具有各自的特征。这对于开发槽电压低频波动作为铝电解工艺的信息资源具有重要意义。     

铝电解槽内金属循环的数值模拟

本文对铝电解槽内熔融金属在电磁力作用下的流场进行了研究,分别采用常湍流粘性系数模型和k-ε模型联立求解N-S方程,用SIMPLE方法,数值求解得到铝电槽内的金属流速、湍动能、湍动能耗散及湍流粘性系数的分布。计算结果与现场测定结果相吻合。     

320kA系列预焙铝电解槽槽电压波动的频谱解析

通过大量收集320 kA系列预焙铝电解槽典型槽况下的槽电压波动数据,利用快速傅里叶变换(FFT)以及功率谱(PSD)估计技术提取槽电压波动的特征谱峰.采用参数估计法进行PSD估计,并将槽电压波动的小波包分析结果和频谱分析结果进行比较.研究结果表明:不同的参数估计法得到趋于一致的频谱分析结果,正常槽只有1个尖锐谱峰,对应于阳极下熔融氧化铝涌动的特征峰,其他故障槽都有2个特征谱峰,即1个主峰和1个次峰,碳渣槽的主峰仍然对应着阳极下熔融氧化铝涌动特征峰,次峰对应悬浮碳渣的涌动特征峰;铝液波动槽主峰对应铝液波动特征峰,次峰对应着熔融氧化铝涌动的特征峰;频谱分析相对于小波包分析具有算法简单、耗时少、物理意义明确等特点,在槽况在线诊断系统的大规模推广中具有优势.     

现代铝电解槽的电磁流动——(Ⅲ)界面波动和稳定性

讨论了电解质熔体和铝液界面的波动和稳定性,得到了一类重要运动的稳定性判据,从而提出了若干缩短极距的办法,对于极间短路和滚铝现象也给出了新的解释和计算。     

水平细圆管内气液两相流动界面形状的分析

为精确确定水平细圆管内气液两相分相流动的界面结构，提出采用基于相平衡理论的最小能量原理分析，研究重力、界面剪切力和表面张力对气液两相流流型的影响；分析小尺度下水平圆管气液两相流动的特点。发现即使在细圆管内，相界面间的剪切力对气液两相流流型的影响依然比表面张力显著得多。利用最小能量原理提出了可预示两相系统气液界面形状的方法。     

气液两相分层流动相界面迁移的数值模拟

采用高精度差分格式求解原始变量不可压缩Navier-Stokes方程和Level-Set方程,对二维的两壁面间的气液两相分层流动进行数值模拟,分析气、液雷诺数对界面的迁移、演化过程的影响.结果表明:随着流体沿流向流动,界面扰动波幅值和扰动波及的范围逐渐变大,左右两侧界面非对称地发展,界面呈现出了钉子结构和泡状结构;气相与液相雷诺数对界面迁移变化的影响规律相同,只是在管中流动产生的界面形状有差异,液相雷诺数的增加使得界面波动更加剧烈.     

旁路流对换热器壳侧气液两相流动特性的影响

针对工业中广泛应用的管壳式换热器,对壳侧旁路对气液两相流体流动特性的影响进行了试验研究。以Ishihara两相流动模型为基础,建立了以横掠管束的主流路为基础的错流区通用两相压降计算关联式。该关联式与实验结果吻合较好。并通过错流区分相流动模型,分析计算了主流路与旁路中气液分布情况,结果表明主流路和旁路中气液流量的分布是不均匀的;气液各自占相应总流量的比例在不同的流型下明显不同,且比例值的波动范围较大。     

工艺参数对中厚板高凸台挤压成形影响的分析

基于中厚板高凸台挤压成形过程中影响凸台高度的3种常见缺陷,提出了有效体积利用率的概念.以此为指标,运用正交试验的方法,对成形过程中影响凸台成形质量的工艺参数进行分析,确定了关键工艺参数,并分析了这些参数对凸台挤压成形有效体积利用率的影响规律.研究结果为板料高凸台挤压成形工艺设计与模具优化提供了一定参考.     

导流槽阴极热应力分布计算和结构优化

使用ANSYS有限元计算软件建立了75 kA导流型铝电解槽热应力分布的计算模型,对聚铝沟位于槽中部导流型铝电解槽阴极内部的热应力分布进行了计算研究,为了减小阴极内部应力的集中,对电解槽结构进行优化.研究结果表明:采用典型的截面为矩形的聚铝沟和普通方钢作为阴极钢棒时,在聚铝沟处的阴极炭块和涂层以及阴极炭块内部炭糊与阴极钢棒端部接触之处存在较大的应力集中,从而可能造成阴极炭块开裂以及涂层与阴极炭块分离;采用半圆形截面聚铝沟能缓解角部的应力集中,但在聚铝沟圆弧底部的炭块和涂层中各存在1个x方向的正应力集中,最大值分别为-6.65×107Pa和-4.97×107Pa;采用小直径圆弧角的聚铝沟要比采用半圆形或矩形截面的聚铝沟更能改善此处涂层和炭块中的应力分布,而采用端部为半球形的阴极钢棒能有效地减小阴极炭块内部由于阴极钢棒热膨胀产生的应力集中.     

实验室用悬浮式阴极铝电解槽及其电场的有限元分析

提出了一种实验室用悬浮式阴极铝电解槽的结构形式,并用200 A和300 A该结构电解槽分别进行了纯铝及铝-钪合金的电解试验,用ANSYS软件对电解槽内的电势及电流密度分布进行了有限元分析.结果表明,电解槽的结构是可行的,电流效率可达80%左右,特别适合在实验室中用于铝电解技术的研究.     

人工环境室内湿度场的数值模拟和优化

采用FLUENT离散相模型对环境室内水滴的蒸发过程仿真模拟.研究了喷入液滴直径、送风速度和送风温度对环境室内流场、湿度场的影响.计算结果表明:喷入液滴直径越小、送风温度越低时,湿度场的均匀性越好;增大送风速度,湿度场能更快达到稳定.综合考虑经济性和湿度场均匀性,对于该计算模型,在送风温度为320 K、送风速度为18 m/s时得到最优的液滴直径为10μm;在送风温度为320 K、液滴直径为2μm时得到最优送风速度为18 m/s.     

交指型电极的质子交换膜燃料电池阴极内传质过程的数值模拟

文中使用CFX4.3软件对交指型质子交换膜燃料电池阴极内的传质过程建立了二维数值模拟模型并进行了数值计算。计算结果给出了合理的流场分布和氧及水蒸气分布 ,并讨论了燃料电池的结构参数和操作条件对电池电流密度的影响。     

板式蒸发式冷凝器传热传质的数值模拟

基于VOF算法,建立了板式蒸发式冷凝器气-液两相降膜流动传热传质的计算模型,该模型考虑了表面张力动量源项和气-液相间传热传质源项．并利用该模型,定量分析了不同壁面热流密度、液相进口温度和空气速度下竖直板面的温度分布、气-液界面处潜热和显热换热量的相对关系．计算结果显示,液膜和空气内温度随壁面热流密度的增大而增大,在气液界面处,温度梯度存在不连续;气-液相界面处的换热主要形式为水蒸发传质引起的潜热换热为主、空气显热传热为辅,并且传热热阻主要集中于水膜内;并且随风速的增加,相间传质量也随之增大．     

考虑悬移质效应的桥墩动床冲刷精细化分析方法

基于欧拉流固两相流理论并考虑悬移质效应进行桥墩动床冲刷精细化分析.针对动床冲刷与清水冲刷的主要区别,采用不平衡输沙法建立床面变形方程,考虑悬移质与推移质质量交换从而间接影响床面变形.通过对计算流体力学(CFD)软件ANSYS Fluent二次开发,利用床底切应力以及底面网格泥沙浓度分别计算推移质输沙率以及悬移质与推移质的交换通量,由此得到床底网格瞬时变化值,从而实现边界网格的动态更新,以此进行桥墩周围河床动床冲刷过程的动态模拟.通过将数值计算结果与经典理论分析及部分试验结果进行对比,在悬移质分布、局部冲刷深度以及冲刷坑形态等方面充分验证所提出动床冲刷计算方法的合理性与准确性.最后通过参数分析证明了悬移质浓度会明显影响动床冲刷的深度与形态,得出了选择动床冲刷模型并采用流固两相流进行桥墩冲刷精细化分析具有显著必要性的结论.     

质子交换膜燃料电池性能影响因素的数值分析

为研究交指流场质子交换膜燃料电池的输出性能,分析影响其性能的因素,寻找改善其性能的可行措施,探讨了使用交指流场流道的必要性和优越性,建立了包括质子交换膜燃料电池阴极/阳极侧流道、扩散层和催化层以及质子交换膜在内的完整的稳态、三维、两相数学模型.基于计算流体力学方法,用该模型对交指流场质子交换膜燃料电池的全流场进行了统一的数值计算以模拟其输出性能,分析了流场流型、氧化剂种类、反应气体进气速度、质子交换膜厚度和双极板筋宽对质子交换膜燃料电池输出性能的影响,确定了提高质子交换膜燃料电池输出性能的一些方法.将理论模型的模拟计算结果与实验结果进行比较,两者较为吻合.     

基于两相流EWF模型的样品表面相变行为及液膜变化的CFD预测

提出了一种利用两相流Eulerian Wall Film ( EWF)模型和自定义结露量公式相结合来预测样品表面相变行为及液膜变化的方法。首先利用自搭建环境实验箱开展结露物理实验,并分别基于两相流EWF模型与单相流模型进行仿真实验。结果表明,相对于单相流模型,EWF模型因考虑了相变过程而能够更加精确地模拟样品表面相变行为。然后通过自定义公式计算所得结露量与实测结露量的对比,验证了所提出结露量公式的正确性。最后在模拟与实测的温湿度曲线以及结露量吻合较好的前提下,模拟了样品表面液膜变化过程,过程中液膜呈现的形态与物理实验中原位摄像系统捕捉到的液膜形态初步吻合。     

基于计算流体力学的熔盐燃料电池电堆的仿真

基于计算流体力学技术，建立并仿真了10kW级顺流型熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）电堆的三维模型，对电堆内部的物质、动量和能量守恒过程进行了理论分析，模型考虑了MCFC电堆的一个重要组成部分-波状板，并讨论了波状板尺寸对电堆性能的影响，结果表明，在采用较大尺寸波状板的电堆中，电化学反应进行得更加充分，所建模型对电堆内部流场的设计有一定意义。     

双喷管火箭发动机燃气流场的三维数值计算与试验

研究双喷管火箭发动机燃气流对直升机的影响,对燃气流场中的压力、温度和速度分布等进行理论计算和试验测量.研究采用数值计算和试验测量相结合的方法,控制方程为三维、雷诺平均Navier-Stokes方程及k-ε二方程的紊流模型,并且对该发动机进行了燃气流场的测试,对流场中的总压强进行了直接测量,进行了两次试验;在两次测点位置,试验结果与数值计算值相差分别为3%和7%;证明了对双喷管火箭燃气射流流场的数值计算具有了较好的精度,计算模拟结果可以用于工程设计中.