CN103984832B - 一种铝电解槽电场仿真分析方法 - Google Patents

一种铝电解槽电场仿真分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝电解槽电场仿真分析方法，包括步骤1：通过铝电解槽模型数据建立铝电解槽电场三维仿真模型，步骤2：采用动态自适应的ANP算法对铝电解槽进行区域划分，步骤3：采用有限元并行计算仿真分析方法得到铝电解槽电场分布。本发明提出的铝电解槽电场仿真分析方法在仿真分析领域引入改进的ANP(AL‑NASRA and NGUYEN)算法，在电场仿真模型子区域节点选择阶段，适当放宽节点添加的条件，由单点添加扩展为多点动态自适应添加，充分利用每次遍历的性能，减少遍历次数。改进后的ANP算法在保证划分结果相近的情况下，大大缩短了区域划分运行时间，为后续并行计算提供了便利，提高了铝电解槽电场仿真效率。

Description

一种铝电解槽电场仿真分析方法
技术领域
本发明涉及一种铝电解槽电场的仿真分析方法，尤其涉及到铝电解槽三维模型有限元分析并行计算的区域划分决策过程。
背景技术
铝电解槽是铝电解生产的核心设备，其内部电场、磁场及流场等物理场的分布对铝电解槽的电流效率、直流电耗、槽寿命等主要技术经济指标有重要影响。而电场又是电解槽运行的能量基础，是其它各物理场形成的根源。因此,对电场的研究十分重要。但在实际生产中，电场分布很难直接测量，所以铝电解槽电场分布的计算机仿真研究对电解槽设计和铝电解生产具有重要意义。
伴随铝电解槽仿真模型的规模越来越大，精度要求越来越高，其有限元分析必将花费更多的时间，传统的串行计算方式已经难以承受日益增大的计算规模，主要体现在计算机内存容量和计算速度两个方面，有限元分析与并行计算的结合是一种必然的趋势。虽然大型通用有限元软件如Ansys等具有并行计算功能，但由于这些软件的封闭性，针对不同模型进行并行计算时，难以有针对性地采用相适宜的不同区域划分策略，从而影响了其计算效率。区域划分作为并行计算任务分配的一种典型应用，区域划分结果对有限元并行计算的效率有着至关重要的影响，一个易于实现的、普遍适用的、性能良好的划分算法可以保证有限元并行计算高效进行。常见的有限元并行计算区域划分方法主要有多层次分区法和ANP算法。多层次分区法基于图论观点、采用多层次策略来解决区域划分问题，在进行区域划分时可能造成划分子区域间通信较多，影响后续计算。ANP算法虽然可以取得较佳的区域划分结果，但是在子区域决策阶段，每次遍历仅仅选取节点权值最小节点的步骤严重浪费了遍历的时间消耗，随着模型规模扩大，算法执行时间大大增加。
发明内容
本发明提供一种提高电场仿真分析效率的铝电解槽电场仿真分析方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种铝电解槽电场仿真分析方法，包括以下步骤：
步骤1)通过铝电解槽模型数据建立铝电解槽电场三维仿真模型；
步骤2)采用动态自适应的ANP算法对铝电解槽进行区域划分；
步骤3)采用有限元并行计算仿真分析方法得到铝电解槽电场分布。
优选地，步骤2)包括以下步骤：
步骤2-1)读入模型的有限元单元与节点文件，计算每个节点的单元连接数，记为αi，作为节点的初始值；
步骤2-2)统计模型的整体几何信息，得到x轴、y轴、z轴三个方向的距离最大值：xmax、ymax、zmax，并确定模型最长方向；
步骤2-3)调整节点权重，使最长方向的节点权重增加，假设x轴为模型最长方向，xi为节点当前的横坐标值，由此得到节点的最终权重:γi＝αi+extra,其中
p为待划分子区域的个数；
步骤2-4)对子区域依次进行下面的操作：
①确定当前子区域的第一个节点，该节点具有最小的权重，尚未属于任何子区域，且不位于已划分的子区域边界；
②将和该节点相连的未标记单元依次加入子区域中，并进行子区域归属标记，同时将加入单元的每个节点γi、αi减1；
③从已经加入子区域的节点中选择γi最小且αi不为零的前an节点，其中an为一从前期到中期逐渐增多的动态添加值；
④重复②～③的操作，直到子区域的单元数达到(表示向上取整)个，其中Ne为模型的单元总数；
步骤2-5)如果已经划分的子区域尚未满足p个，则重复步骤2-4)的步骤。
优选地，其中Tcount为待加入节点的规模，为三维有限元模型特征参数，Pro为避免开始或者结束阶段可能出现的异常情况的过程参数，ceil指取得比当前值大的最小整数。其中是一个经验常数，过程参数NM代表子区域的单元个数，即Qcount代表当前已经添加的单元个数。即动态添加值an是根据模型的规模、复杂程度和划分阶段变化特性来动态确定的。
本发明的有益效果是：
相对于现有技术中区域划分的单点添加，本发明采用动态自适应添加，在大规模模型中，算法的执行时间大大减少。
通过动态添加值an的加入，子区域添加节点过程为一个动态自适应过程，充分利用了遍历的性能，因此能进一步减少算法的执行时间。
附图说明
图1为本发明的子区域动态自适应添加ANP算法示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明，本发明较佳实施例一种铝电解槽电场仿真分析方法，其步骤包括以下步骤。
步骤一：根据获取的模型数据建立铝电解槽实体三维模型，并针对模型特性选择合适的单元结构完成网格剖分，得到离散化模型。
步骤二：将离散化模型利用本发明设计的区域划分算法进行区域划分，以满足后续并行计算的需要，区域划分的具体步骤如图1所示。读入模型相关信息(有限元单元、节点文件)，计算每个节点的单元连接数(权重参数)，记为αi，作为节点的初始值。统计有限元模型的整体几何信息，得到x轴、y轴、z轴三个方向的距离最大值：xmax、ymax、zmax，并确定模型最长方向。调整节点权重，使最长方向的节点权重增加。假设x轴为模型最长方向，xi为节点当前的横坐标值，p为待划分子区域的个数，则附加权重的计算公式为：
由此得到节点的最终权重：γi＝αi+extra。对于子区域依次进行下面的操作：
①确定当前子区域的第一个节点，该节点具有最小的权重，尚未属于任何子区域，且不位于已划分的子区域边界。
②将和该节点相连的未标记单元依次加入子区域中，并进行子区域归属标记，同时将加入单元的每个节点γi、αi减1。
③计算得到动态添加值an。
④从已经加入子区域的节点中选择γi最小(αi不为零)的前an节点。
⑤重复②～④的操作，直到子区域的单元数达到(表示向上取整)个，其中Ne为模型的单元总数；
如果已经划分的子区域尚未满足p个，则重复①～⑤的步骤。所述动态添加值(ceil指取得比当前值大的最小整数)，其中Tcount为待加入节点的规模，为三维有限元模型特征参数，Pro为过程参数，且NM代表子区域的单元个数，即Qcount代表当前已经添加的单元个数。
本实施例中，是从已经加入子区域的节点中选择γi最小(αi不为零)的前an(动态添加值)节点，且在其它实施例中，动态添加值可以结合具体问题进行一定的优化求得，只要在整个划分过程中从前期到中期是逐渐增多即可。相对于现有的单点添加，本发明这种动态自适应添加的方式使算法的执行时间大大减少。
步骤三：对于划分好的子区域做并行计算，做并行计算之前首先要搭建好相应的硬件平台，本发明采用基于分布式内存结构的IBM BladeCenter服务器作为硬件平台，其包含6个GigE网络互联的计算刀片。通过采用C语言和MPI通信标准，编制了改进ANP算法的有限元并行计算程序，并在3个装有Windows Server 2003系统的刀片(每个刀片含有16个CPU和8G的内存容量)上进行测试。对于已经求解的结果数据首先要进行合并，然后进行数据的后处理以形成电解槽电场分布图，以电场分布均匀为优化标准，通过调节电解槽阴极极距等结构操作对槽内电场进行优化，并再次重复当前实验验证优化之后的效果，如果达到了优化效果，则说明改进良好，相关人员就可以根据铝电解槽仿真结构改进方案设计铝电解槽并实际测试经过优化后铝电解槽的电解效率。从而省去搭建铝电解仿真槽验证优化效果的时间，进一步提高了电解铝生产效率。
这种动态自适应ANP算法相较于原始ANP算法大大缩短了区域划分的时间，提升了算法的时间性能(下表为动态自适应ANP算法与原ANP算法运行时间比较表)，进而提升了铝电解槽电场仿真分析的效率，为后续有限元并行计算提供了便利。通过后续的计算得到铝电解槽电场分布，利用电场分布规律，可以提高电解槽电解效率。
区域个数 区域单元数 ANP算法运行时间/s 动态自适应ANP算法运行时间/s
3 43524 207 11
4 29016 242 12
5 21762 258 13
6 14508 266 13
7 12436 274 13
8 10881 292 14
应当指出，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的修改,变形、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种铝电解槽电场仿真分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1)通过铝电解槽模型数据建立铝电解槽电场三维仿真模型；
步骤2)采用动态自适应的ANP算法对铝电解槽进行区域划分；
步骤3)采用有限元并行计算仿真分析方法得到铝电解槽电场分布；
其中，步骤2)包括以下步骤：
步骤2-1)读入模型的有限元单元与节点文件，计算每个节点的单元连接数，记为αi，作为节点的初始值；
步骤2-2)统计模型的整体几何信息，得到x轴、y轴、z轴三个方向的距离最大值：xmax、ymax、zmax，并确定模型最长方向；
步骤2-3)调整节点权重，使最长方向的节点权重增加，假设x轴为模型最长方向，xi为节点当前的横坐标值，由此得到节点的最终权重:γi＝αi+extra,其中
p为待划分子区域的个数；
步骤2-4)对子区域依次进行下面的操作：
①确定当前子区域的第一个节点，该节点具有最小的权重，尚未属于任何子区域，且不位于已划分的子区域边界；
②将和该节点相连的未标记单元依次加入子区域中，并进行子区域归属标记，同时将加入单元的每个节点γi、αi减1；
③从已经加入子区域的节点中选择γi最小且αi不为零的前an节点，其中an为一从前期到中期逐渐增多的动态添加值；
④重复②～③的操作，直到子区域的单元数达到个，表示向上取整，其中Ne为模型的单元总数；
步骤2-5)如果已经划分的子区域尚未满足p个，则重复步骤2-4)的步骤；
其中，其中Tcount为待加入节点的规模，为三维有限元模型特征参数，Pro为避免开始或者结束阶段可能出现的异常情况的过程参数，ceil指取得比当前值大的最小整数；
其中是一个经验常数；
其中过程参数NM代表子区域的单元个数，即Qcount代表当前已经添加的单元个数。
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