大容量節(jié)能鋁電解槽多物理場耦合建模及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究.pdf

1、鋁電解槽是工業(yè)生產(chǎn)鋁的核心設(shè)備，其多物理場分布狀況顯著影響生產(chǎn)的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。目前，鋁電解槽正向大容量、節(jié)能型方向快速發(fā)展，已有電解槽物理場建模研究方法已難以應(yīng)對技術(shù)發(fā)展的需求。本文針對傳統(tǒng)鋁電解槽物理場模型在理論及適用性上的缺陷，開展系統(tǒng)的可適用于大容量節(jié)能鋁電解槽的多物理場耦合建模研究，并以所建模型為基礎(chǔ)，開展槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論研究，進(jìn)而為大容量節(jié)能鋁電解槽及其運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)的開發(fā)提供必要的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。本文的主要研究內(nèi)容與成果如下

2、:
　　(1)建立了適用于大容量節(jié)能鋁電解槽的三維瞬態(tài)三相（鋁液-電解質(zhì)-陽極氣泡）磁流體模型，結(jié)合實(shí)際算例對多種磁流體模型進(jìn)行了對比，證明了忽略陽極氣泡相建?；蚧诜€(wěn)態(tài)假設(shè)建模均可導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果缺失重要信息;同時(shí)，基于瞬態(tài)三相磁流體研究獲悉了陽極氣泡相對磁流體行為的重要影響:陽極氣泡相顯著改變電解質(zhì)流場，并通過鋁液-電解質(zhì)相間作用力間接削弱鋁液中由電磁力引起的環(huán)流，氣泡使鋁液-電解質(zhì)界面上呈現(xiàn)出陽極底面投影，并改變在電磁力與重力共

3、同作用下的界面擾動(dòng)行為，使長周期界面波動(dòng)不再顯著，轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)一種相對高頻的擾動(dòng)。
　　(2)建立了一種大容量鋁電解槽電-熱場強(qiáng)耦合模型，結(jié)合實(shí)際算例指出，不預(yù)設(shè)熔體溫度是電場和熱場實(shí)現(xiàn)完全耦合的前提，而在耦合模型中全面引入并準(zhǔn)確描述各熱源大小及分布（包括產(chǎn)熱源和吸熱源）是電-熱場計(jì)算獲得可靠結(jié)果的關(guān)鍵。
　　(3)提出應(yīng)采用界面更新理論描述鋁液-電解質(zhì)界面附近的傳質(zhì)行為，以界面上湍動(dòng)能耗散率大小及分布為關(guān)鍵指標(biāo)，建立了關(guān)聯(lián)熔體

4、運(yùn)動(dòng)的鋁電解槽電流效率全域計(jì)算模型，并將該模型有效應(yīng)用于大容量鋁電解槽的全槽與局部電流效率分析。
　　(4)應(yīng)用三維瞬態(tài)三相磁流體模型和電流效率模型對采用不同陰極結(jié)構(gòu)的同一型號大容量槽的磁流體行為及對應(yīng)電流效率進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，相較于采用普通陰極，在該槽上采用本文設(shè)定的異形陰極方案、新型導(dǎo)電結(jié)構(gòu)陰極方案與高導(dǎo)電陰極鋼棒方案均使該槽的鋁液、電解質(zhì)流速在不同程度上下降，其中，異形陰極方案下電解質(zhì)流速降幅偏大，對氧化鋁在電解質(zhì)中的分

5、散不利;三種方案均使該槽的鋁液-電解質(zhì)界面擾動(dòng)有所減小，異形陰極方案在減少界面上大變形區(qū)域方面顯現(xiàn)出一定作用，另兩種方案的降界面擾動(dòng)效果與兩者的降鋁液水平電流效果成正比;異形陰極方案使該槽電流效率略有下降，另兩種方案未使電流效率發(fā)生明顯變化。
　　(5)采用電解質(zhì)-氣泡流動(dòng)模型對不同結(jié)構(gòu)陽極在促進(jìn)陽極氣泡排放方面的效果進(jìn)行了計(jì)算，建立基于二次電流分布的電場-陽極消耗瞬態(tài)模型對不同結(jié)構(gòu)陽極在電解過程中的形狀及電流密度分布的演變進(jìn)行了