A modernized ANSYS-based finite element model for the thermal-electrical design of aluminum reduction cells (Nouveau modèle d’éléments finis ANSYS pour la conception thermique-électrique de cellules d’électrolyse d’aluminium)
Résumé
Le bilan thermique et la magnéto-hydrodynamique sont essentiels à la conception d’une cellule d’électrolyse d’aluminium puisqu’ils déterminent en grande partie la période opérationnelle. De plus, une conception inadéquate du revêtement entraîne généralement une diminution du rendement et des défaillances prématurées. La première tâche pour la conception du revêtement consiste à déterminer la position du substrat gelé et la surchauffe des cellules pour obtenir divers paramètres de fonctionnement.
Bien que plusieurs approches de modélisation et domaines computationnels différents aient été proposés pour résoudre le problème de Stefan, une méthodologie largement acceptée, d’abord proposée par Dupuis [1], dépend du repositionnement itératif du substrat dans un modèle thermoélectrique d’élément fini. L’algorithme comprend des déplacements successifs des nœuds frontaux de solidification en fonction du champ de température calculé jusqu’à ce que toute l’interface de transformation en liquides du substrat atteigne la température de solidification. La surchauffe est ajustée pour réduire au minimum la différence entre la production de chaleur interne de la cellule et les pertes de chaleur intégrées sur le volume de commande. À l’origine, cette approche se limitait à deux couches d’éléments de premier ordre sur l’épaisseur du substrat à l’horizontale et n’incluait pas les liquides.
Cet article présente une généralisation ainsi que des améliorations apportées à la méthodologie originale, permettant de prédire le profil du substrat en utilisant un nombre arbitraire d’éléments de premier ou de deuxième ordre sur l’épaisseur du substrat tout en incluant la nappe de métal et le bain. Le cadre de modélisation proposé a été mis en œuvre dans ANSYS à l’aide du langage de conception paramétrique ANSYS (APDL) et conçu pour minimiser les coûts de calcul du déplacement du substrat. Un autre avantage est que les macros de base génériques gèrent aussi efficacement le déplacement du substrat dans n’importe quelle direction. Les éléments technologiques actuels d’ANSYS sont utilisés de manière à pouvoir tirer parti des solutions informatiques de haute performance.
La robustesse de cette méthodologie améliorée est illustrée dans cet article au moyen d’une comparaison entre les résultats obtenus avec une technologie fictive de cellules de 300 kA et ceux de l’approche standard.