本文提出了目前鋁電解槽電－磁－流場的仿真分析技術亟待解決的問題，即電解槽模型的優化、更加接近實際生產情況的邊界條件的加載、鋁液－電解質界面變形的深化研究、針對不同槽型與不同工藝條件的磁流體穩定判據以及全息仿真技術與在線動態仿真技術的研發。
1 前言
目前，工業生產金屬鋁的方法為Hall-Héroult熔鹽電解法。作為該方法的主體設備，鋁電解槽經歷了由自焙陽極電解槽到預焙陽極電解槽的標志性變化階段。上世紀80年代中葉，鋁電解槽開始朝著大型化、生產過程控制自動化的方向邁進。以計算機仿真分析為技術手段的鋁電解槽多物理場耦合研究，為大型、超大型高效節能電解槽的開發、優化設計及操作運行管理奠定了基礎。
電流場是電解槽運行的能量基礎，是其他各物理場形成的根源；電流產生磁場，磁場的分布影響電解質與鋁液的運動即流場的狀態；流場的狀態又反過來影響電流分布與磁場的分布。電場、磁場、流場復雜的耦合關系貫穿于整個鋁電解過程，對鋁電解槽的電流效率與能量消耗有著很大的影響，其優化研究工作是鋁電解工程設計最基本也最為重要的工作之一。
可用于鋁電解槽物理場仿真分析的商業軟件很多，如：多用于電熱分析的軟件MARC；多用于磁流體穩定性及波動分析的軟件PHOENICS/ESTER；多用于結構分析的軟件ADINA、SAP等。除此之外，國外各大鋁業公司也開發了各自的計算軟件包，如俄羅斯鋁業公司的BLUMS、加拿大鋁業公司的ALUCELL等。截至目前，被廣泛應用的是融電、熱、磁、流、結構分析于一體的，并具備多物理場耦合分析功能的有限元分析軟件ANSYS。
2 ANSYS在鋁電解槽電－磁－流場仿真分析中的應用進展
2.1 ANSYS在鋁電解槽電場仿真分析中的應用進展
Dupuis等最早在ANSYS有限元軟件平臺上計算了電解槽的3D電場分布，并將計算結果應用于爐膛內形、熱平衡及磁場分布計算。國內方面，李劫、周乃君、喻海良等人以ANSYS為平臺，，建立了包含工字鋼部分在內的鋁電解槽3D幾何模型，計算了鋁電解槽內部各導電部分電位分布情況。
近年來的研究中，母線導體與槽內導體采用一起建模的方式。國際方面，Dupuis等開發了基于ANSYS軟件的3D實體母線模型和基于TECPLOT軟件的1D槽內導體和母線系統模型，優化了大型預焙槽的母線設計方案。國內方面，貴陽鋁鎂設計研究院開發了一套基于ANSYS的通用性較強的母線電壓平衡計算軟件包，通過對母線電壓的計算結果表明，存在某一電流密度可使母線用量最省，為國內大型預焙槽母線配置的優化設計奠定了基礎。姜艷麗等人以ANSYS為平臺，建立了160kA異型陰極電解槽的全槽模型，并應用link68單元，在陽極導桿上端面耦合節點上施加電壓自由度，在其中的任一節點處施加電流，將陰極鋼棒出口處設為基準電位面， 對160kA異型陰極電解槽各部分電流分布與電位分布進行了計算，得出：異型陰極電解槽的電解質電壓降比普通陰極電解槽的電解質電壓降低380mV；異型陰極結構電解槽鋁液與電解質交界面的水平電流的絕對值小于普通陰極電解槽鋁液與電解質交界面處水平電流的絕對值；異型陰極凸臺表面上部鋁液中X向水平電流較大，為探討異型陰極電解槽的節能機理提供了依據。
劉偉等人以ANSYS為平臺，把電接觸模型納入到陰極電壓降的分析當中。將炭陰極與鋼棒之間的實體與網格連接分離開來，取炭陰極與鋼棒的交界面作為目標面，利用TARGEl70單元劃分目標面，生成外法線指向鋼棒的目標面單元；選擇鋼棒與交界面相鄰的最外層單元，利用CONTAl73單元劃分接觸面，生成外法線指向炭陰極的接觸面單元；鋁液表面設為零電位邊界條件，陰極炭塊表面設為零電壓邊界條件；設定炭－鋼、炭－糊、糊－鋼電接觸面的電阻率，并對320kA電解槽的陰極壓降進行計算，計算結果與文獻數據吻合較好，解決了以往通過增加內襯炭塊電阻率或在內襯炭塊與陰極鋼棒之間增加“夾層”來考慮接觸電壓所帶來的電力線向上偏移、焦耳熱分布不合理的問題。高潔、陽春華等人利用ANSYS軟件建立了豎向垂直出電電解槽的全槽模型，應用SOLID5單元，采用六面體映射結合掃略的網格劃分方式，在陽極上表面施加電流強度，將零電勢加載到陰極鋼棒出電端面的節點上，對320kA豎向垂直出電電解槽的電流與電位分布進行計算，證明了該種槽型陽極電壓降、陰極電壓降及電解質電壓降較普通槽略低，鋁液中的水平電流較普通槽有所減小。
2.2 ANSYS在鋁電解槽磁場仿真分析中的應用進展
針對鋁電解槽磁場問題的有限元求解，國內外學者做了很多研究工作。
Dupuis等人最早嘗試使用ANSYS軟件建立了鋁電解槽磁場模型，其中槽內實體導體包括電解質、鋁液、浸入電解質中的部分陽極炭塊、陰極炭塊及陰極鋼棒；槽內非導體結構包括槽殼、假定形狀的爐幫，但是沒有詳細描述內襯結構；槽周圍母線單元模型包括立柱母線、陰極母線、陽極導桿與鋼爪：相鄰電解槽線單元母線模型及電解系列回路母線。
Severo等人以ALGOR軟件為前處理器、ANSYS軟件為求解器，對240kA槽進行了磁場仿真研究，但是由于其母線模型采用link68單元建立，而這種單元只具有正方形截面實常數，采用該單元計算存在一定誤差，因此無法滿足大型鋁電解槽復雜變截面的母線仿真計算要求。
楊溢等人闡述了大型預焙槽槽周母線、槽內導體、磁介質的適用方法，并將ANSYS與MATLAB、Visual Basic 混合編程，編制了磁流體穩定性軟件PotMHD，可實現對磁場、鋁液流速、磁流體穩定性的計算。
姜昌偉等人以ANSYS為平臺，先用標量電位法計算出母線系統、陽極、陰極、熔體及陰極鋼棒的電流密度分布，然后應用畢奧一薩伐定律、全標量磁位法和簡化標量磁位法，將鋁液下表面取角部一點作為磁位基準點，分別計算出各部分的磁感應強度。
閆照文用一定厚度的鋼殼代替結構復雜的鋼搖籃架，在ANSYS為平臺上建立了四分之一槽磁場矢量法模型與全槽磁場標量法母線模型，明確了如何施加電磁場邊界條件，求解了槽內導體的合成總磁場分布，通過與實測值比較驗證了模型的合理性，簡化了磁場計算模型的結構。
劉偉等人使用SOLID5六面體單元對槽內導體如炭陽極（浸入電解質部分）、電解質、鋁液、炭陰極、陰極鋼棒進行連續網格剖分，使用SOURC36單元對陽極導桿、鋼爪、陰極母線、槽底母線、槽周母線、立柱母線進行建模，假設有限空氣的外表面處于無限遠處，在邊界的節點上施加零磁標量位，應用標量磁位法求解了350kA電解槽磁場分布，計算結果與測量值較接近。
2.3 ANSYS在鋁電解槽流場仿真分析及磁流體穩定性研究中的應用進展
Tarapore最先在185kA電解槽上將槽內導體電場、槽外母線磁場、槽殼鐵磁屏蔽以及熔體湍流流動進行整合計算。作者把電磁力引入到N－S方程中，結合湍流k－ε模型對2D穩態流場進行了計算，但是計算結果存在一定的誤差。
Severo等人最早在CFX平臺上使用多相流模型和VOF自由面跟蹤法研究了240kA電解槽的流場分布和界面變形，計算結果表明常數湍流粘度模型與k－ε、k－w模型相比更加接近實測流速和波形，電解質流動形態與鋁液相近，兩側電磁力推動熔體向中間匯集使得自由界面向上隆起。
Kaenel與Antille以ANSYS為平臺，研究了異型陰極與變電導率陰極鋼棒結構兩種形式的電解槽內部鋁液流速與界面變形情況。研究結果表明，異型陰極結構電解槽鋁液界面變形較小，但鋁液流速略大于變電導率陰極鋼棒結構電解槽內鋁液流速，證明了異型陰極對于減小鋁液波動的作用以及變電導率陰極鋼棒結構對于減小水平電流的作用。
徐宇杰、李劼等人在CFX平臺上建立了鋁電解槽鋁液、電解質、氣泡穩態三相流非均相模型，對實際工業鋁電解槽的全槽流動及電流效率損失機理進行了研究。研究結果表明，在電解質層中陽極氣泡對流動的影響大于電磁力；在氣泡作用的影響下，鋁液－電解質界面上存在較清晰的陽極投影區；陽極下方區域的電流效率明顯高于槽內其它區域。
劉偉應用有限體積法，通過將ANSYS中建立的鋁液和陽極底掌以下的電解質單元電磁模型導入CFX中，對350kA電解槽鋁液流場進行計算，計算值與實測值吻和較好。
楊溢、姚世煥應用ANSYS軟件，研究了鋁電解槽的穩定性機理。認為鋁電解槽的穩定性是受水平電流、垂直磁場、鋁液水平、極距、槽膛的長寬比所制約的，改善垂直磁場強度，使其在四個象限分布更為均勻，適當增高鋁液水平和極距，減小水平電流密度，有利于磁流體的穩定，為工程設計提供了理論依據。
黃俊、姚世煥應用ANSYS軟件，以230kA電解槽為研究對象，探討了鋁電解槽槽膛尺寸對磁流體穩定性的影響，認為當采用長度為1600～1700mm和寬度為700～780mm的陽極時，電解槽有較好的穩定性。
3 尚存在的問題及展望
多年來，國內外學者以ANSYS為平臺對鋁電解槽電、磁、流場做了大量數值模擬工作，取得了諸多成果，在一定程度上指導了工程設計與生產實踐。但是，仍存在一些問題亟待深入研究解決。
（1）在電、磁場的計算中，假設所有陽極底掌均處于同一平面且每塊陽極的電流是均勻分布的，這與實際情況差別較大。在實際生產中，各個陽極的消耗速度不盡相同，陽極底掌高度的差別可達1～2cm，再加上鋁液、電解質波動的存在導致陽極電流分布的偏差可達1kA。因此，如何在建模、邊界條件加載的過程中，完善這一問題還有待于研究。
（2）在流場的計算中，通常假設電解槽的槽膛形狀是規則的、電解質與鋁液之間沒有質量與能量傳遞。然而，在實際生產中，槽膛形狀是不規則的、電解質與鋁液之間既有質量傳遞又有能量傳遞，造成流場的計算結果與實際測量值之間存在一定程度的誤差。因此，應通過大量實測和工業試驗驗證等方法，進一步完善數學模型，確定各種邊界條件和相關參數。
（3）目前關于鋁液－電解質界面變形的計算還處于起步階段，對于導致鋁液－電解質界面變形的因素存在較大爭論，還有待于深入研究。
（4）關于磁流體穩定性的計算方法還有待于深入研究，尤其是要加強在ANSYS、FLUENT、CFX平臺上開發磁流體穩定性的計算程序，歸納總結出不同槽型、不同工藝條件下的磁流體穩定判據。
（5）對于鋁電解槽電、磁、流場的仿真絕大多數還局限于靜態研究，充分發揮ANSYS、FLUENT及CFX在數值模擬計算方面的強大功能，以其為平臺，研發全息仿真技術以及在線動態仿真技術，真正實現從電解槽啟動到平穩運行的全過程動態仿真，充分體現仿真技術的優越性，為優化工程設計及優化控制提供更科學、更有力的技術手段。
1 前言
目前，工業生產金屬鋁的方法為Hall-Héroult熔鹽電解法。作為該方法的主體設備，鋁電解槽經歷了由自焙陽極電解槽到預焙陽極電解槽的標志性變化階段。上世紀80年代中葉，鋁電解槽開始朝著大型化、生產過程控制自動化的方向邁進。以計算機仿真分析為技術手段的鋁電解槽多物理場耦合研究，為大型、超大型高效節能電解槽的開發、優化設計及操作運行管理奠定了基礎。
電流場是電解槽運行的能量基礎，是其他各物理場形成的根源；電流產生磁場，磁場的分布影響電解質與鋁液的運動即流場的狀態；流場的狀態又反過來影響電流分布與磁場的分布。電場、磁場、流場復雜的耦合關系貫穿于整個鋁電解過程，對鋁電解槽的電流效率與能量消耗有著很大的影響，其優化研究工作是鋁電解工程設計最基本也最為重要的工作之一。
可用于鋁電解槽物理場仿真分析的商業軟件很多，如：多用于電熱分析的軟件MARC；多用于磁流體穩定性及波動分析的軟件PHOENICS/ESTER；多用于結構分析的軟件ADINA、SAP等。除此之外，國外各大鋁業公司也開發了各自的計算軟件包，如俄羅斯鋁業公司的BLUMS、加拿大鋁業公司的ALUCELL等。截至目前，被廣泛應用的是融電、熱、磁、流、結構分析于一體的，并具備多物理場耦合分析功能的有限元分析軟件ANSYS。
2 ANSYS在鋁電解槽電－磁－流場仿真分析中的應用進展
2.1 ANSYS在鋁電解槽電場仿真分析中的應用進展
Dupuis等最早在ANSYS有限元軟件平臺上計算了電解槽的3D電場分布，并將計算結果應用于爐膛內形、熱平衡及磁場分布計算。國內方面，李劫、周乃君、喻海良等人以ANSYS為平臺，，建立了包含工字鋼部分在內的鋁電解槽3D幾何模型，計算了鋁電解槽內部各導電部分電位分布情況。
近年來的研究中，母線導體與槽內導體采用一起建模的方式。國際方面，Dupuis等開發了基于ANSYS軟件的3D實體母線模型和基于TECPLOT軟件的1D槽內導體和母線系統模型，優化了大型預焙槽的母線設計方案。國內方面，貴陽鋁鎂設計研究院開發了一套基于ANSYS的通用性較強的母線電壓平衡計算軟件包，通過對母線電壓的計算結果表明，存在某一電流密度可使母線用量最省，為國內大型預焙槽母線配置的優化設計奠定了基礎。姜艷麗等人以ANSYS為平臺，建立了160kA異型陰極電解槽的全槽模型，并應用link68單元，在陽極導桿上端面耦合節點上施加電壓自由度，在其中的任一節點處施加電流，將陰極鋼棒出口處設為基準電位面， 對160kA異型陰極電解槽各部分電流分布與電位分布進行了計算，得出：異型陰極電解槽的電解質電壓降比普通陰極電解槽的電解質電壓降低380mV；異型陰極結構電解槽鋁液與電解質交界面的水平電流的絕對值小于普通陰極電解槽鋁液與電解質交界面處水平電流的絕對值；異型陰極凸臺表面上部鋁液中X向水平電流較大，為探討異型陰極電解槽的節能機理提供了依據。
劉偉等人以ANSYS為平臺，把電接觸模型納入到陰極電壓降的分析當中。將炭陰極與鋼棒之間的實體與網格連接分離開來，取炭陰極與鋼棒的交界面作為目標面，利用TARGEl70單元劃分目標面，生成外法線指向鋼棒的目標面單元；選擇鋼棒與交界面相鄰的最外層單元，利用CONTAl73單元劃分接觸面，生成外法線指向炭陰極的接觸面單元；鋁液表面設為零電位邊界條件，陰極炭塊表面設為零電壓邊界條件；設定炭－鋼、炭－糊、糊－鋼電接觸面的電阻率，并對320kA電解槽的陰極壓降進行計算，計算結果與文獻數據吻合較好，解決了以往通過增加內襯炭塊電阻率或在內襯炭塊與陰極鋼棒之間增加“夾層”來考慮接觸電壓所帶來的電力線向上偏移、焦耳熱分布不合理的問題。高潔、陽春華等人利用ANSYS軟件建立了豎向垂直出電電解槽的全槽模型，應用SOLID5單元，采用六面體映射結合掃略的網格劃分方式，在陽極上表面施加電流強度，將零電勢加載到陰極鋼棒出電端面的節點上，對320kA豎向垂直出電電解槽的電流與電位分布進行計算，證明了該種槽型陽極電壓降、陰極電壓降及電解質電壓降較普通槽略低，鋁液中的水平電流較普通槽有所減小。
2.2 ANSYS在鋁電解槽磁場仿真分析中的應用進展
針對鋁電解槽磁場問題的有限元求解，國內外學者做了很多研究工作。
Dupuis等人最早嘗試使用ANSYS軟件建立了鋁電解槽磁場模型，其中槽內實體導體包括電解質、鋁液、浸入電解質中的部分陽極炭塊、陰極炭塊及陰極鋼棒；槽內非導體結構包括槽殼、假定形狀的爐幫，但是沒有詳細描述內襯結構；槽周圍母線單元模型包括立柱母線、陰極母線、陽極導桿與鋼爪：相鄰電解槽線單元母線模型及電解系列回路母線。
Severo等人以ALGOR軟件為前處理器、ANSYS軟件為求解器，對240kA槽進行了磁場仿真研究，但是由于其母線模型采用link68單元建立，而這種單元只具有正方形截面實常數，采用該單元計算存在一定誤差，因此無法滿足大型鋁電解槽復雜變截面的母線仿真計算要求。
楊溢等人闡述了大型預焙槽槽周母線、槽內導體、磁介質的適用方法，并將ANSYS與MATLAB、Visual Basic 混合編程，編制了磁流體穩定性軟件PotMHD，可實現對磁場、鋁液流速、磁流體穩定性的計算。
姜昌偉等人以ANSYS為平臺，先用標量電位法計算出母線系統、陽極、陰極、熔體及陰極鋼棒的電流密度分布，然后應用畢奧一薩伐定律、全標量磁位法和簡化標量磁位法，將鋁液下表面取角部一點作為磁位基準點，分別計算出各部分的磁感應強度。
閆照文用一定厚度的鋼殼代替結構復雜的鋼搖籃架，在ANSYS為平臺上建立了四分之一槽磁場矢量法模型與全槽磁場標量法母線模型，明確了如何施加電磁場邊界條件，求解了槽內導體的合成總磁場分布，通過與實測值比較驗證了模型的合理性，簡化了磁場計算模型的結構。
劉偉等人使用SOLID5六面體單元對槽內導體如炭陽極（浸入電解質部分）、電解質、鋁液、炭陰極、陰極鋼棒進行連續網格剖分，使用SOURC36單元對陽極導桿、鋼爪、陰極母線、槽底母線、槽周母線、立柱母線進行建模，假設有限空氣的外表面處于無限遠處，在邊界的節點上施加零磁標量位，應用標量磁位法求解了350kA電解槽磁場分布，計算結果與測量值較接近。
2.3 ANSYS在鋁電解槽流場仿真分析及磁流體穩定性研究中的應用進展
Tarapore最先在185kA電解槽上將槽內導體電場、槽外母線磁場、槽殼鐵磁屏蔽以及熔體湍流流動進行整合計算。作者把電磁力引入到N－S方程中，結合湍流k－ε模型對2D穩態流場進行了計算，但是計算結果存在一定的誤差。
Severo等人最早在CFX平臺上使用多相流模型和VOF自由面跟蹤法研究了240kA電解槽的流場分布和界面變形，計算結果表明常數湍流粘度模型與k－ε、k－w模型相比更加接近實測流速和波形，電解質流動形態與鋁液相近，兩側電磁力推動熔體向中間匯集使得自由界面向上隆起。
Kaenel與Antille以ANSYS為平臺，研究了異型陰極與變電導率陰極鋼棒結構兩種形式的電解槽內部鋁液流速與界面變形情況。研究結果表明，異型陰極結構電解槽鋁液界面變形較小，但鋁液流速略大于變電導率陰極鋼棒結構電解槽內鋁液流速，證明了異型陰極對于減小鋁液波動的作用以及變電導率陰極鋼棒結構對于減小水平電流的作用。
徐宇杰、李劼等人在CFX平臺上建立了鋁電解槽鋁液、電解質、氣泡穩態三相流非均相模型，對實際工業鋁電解槽的全槽流動及電流效率損失機理進行了研究。研究結果表明，在電解質層中陽極氣泡對流動的影響大于電磁力；在氣泡作用的影響下，鋁液－電解質界面上存在較清晰的陽極投影區；陽極下方區域的電流效率明顯高于槽內其它區域。
劉偉應用有限體積法，通過將ANSYS中建立的鋁液和陽極底掌以下的電解質單元電磁模型導入CFX中，對350kA電解槽鋁液流場進行計算，計算值與實測值吻和較好。
楊溢、姚世煥應用ANSYS軟件，研究了鋁電解槽的穩定性機理。認為鋁電解槽的穩定性是受水平電流、垂直磁場、鋁液水平、極距、槽膛的長寬比所制約的，改善垂直磁場強度，使其在四個象限分布更為均勻，適當增高鋁液水平和極距，減小水平電流密度，有利于磁流體的穩定，為工程設計提供了理論依據。
黃俊、姚世煥應用ANSYS軟件，以230kA電解槽為研究對象，探討了鋁電解槽槽膛尺寸對磁流體穩定性的影響，認為當采用長度為1600～1700mm和寬度為700～780mm的陽極時，電解槽有較好的穩定性。
3 尚存在的問題及展望
多年來，國內外學者以ANSYS為平臺對鋁電解槽電、磁、流場做了大量數值模擬工作，取得了諸多成果，在一定程度上指導了工程設計與生產實踐。但是，仍存在一些問題亟待深入研究解決。
（1）在電、磁場的計算中，假設所有陽極底掌均處于同一平面且每塊陽極的電流是均勻分布的，這與實際情況差別較大。在實際生產中，各個陽極的消耗速度不盡相同，陽極底掌高度的差別可達1～2cm，再加上鋁液、電解質波動的存在導致陽極電流分布的偏差可達1kA。因此，如何在建模、邊界條件加載的過程中，完善這一問題還有待于研究。
（2）在流場的計算中，通常假設電解槽的槽膛形狀是規則的、電解質與鋁液之間沒有質量與能量傳遞。然而，在實際生產中，槽膛形狀是不規則的、電解質與鋁液之間既有質量傳遞又有能量傳遞，造成流場的計算結果與實際測量值之間存在一定程度的誤差。因此，應通過大量實測和工業試驗驗證等方法，進一步完善數學模型，確定各種邊界條件和相關參數。
（3）目前關于鋁液－電解質界面變形的計算還處于起步階段，對于導致鋁液－電解質界面變形的因素存在較大爭論，還有待于深入研究。
（4）關于磁流體穩定性的計算方法還有待于深入研究，尤其是要加強在ANSYS、FLUENT、CFX平臺上開發磁流體穩定性的計算程序，歸納總結出不同槽型、不同工藝條件下的磁流體穩定判據。
（5）對于鋁電解槽電、磁、流場的仿真絕大多數還局限于靜態研究，充分發揮ANSYS、FLUENT及CFX在數值模擬計算方面的強大功能，以其為平臺，研發全息仿真技術以及在線動態仿真技術，真正實現從電解槽啟動到平穩運行的全過程動態仿真，充分體現仿真技術的優越性，為優化工程設計及優化控制提供更科學、更有力的技術手段。
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