鋁電解槽內(nèi)熔體渦運(yùn)動(dòng)與氧化鋁輸運(yùn)過程的數(shù)值模擬研究.pdf

1、現(xiàn)代預(yù)焙鋁電解槽為一個(gè)典型多場(chǎng)作用下的多相流系統(tǒng)，具備明顯的渦運(yùn)動(dòng)特征，其運(yùn)動(dòng)形態(tài)及相間物質(zhì)輸運(yùn)直接關(guān)系電解槽能耗。本文旨在建立合理可靠的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行全面而細(xì)致的鋁電解槽多組分多相流場(chǎng)研究，揭示槽內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)和氧化鋁輸運(yùn)過程的規(guī)律，為現(xiàn)代大型鋁電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化提供重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段。
　　 本論文在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助下，針對(duì)當(dāng)前國內(nèi)外鋁電解槽流場(chǎng)研究中缺乏定量的渦結(jié)構(gòu)解析方法且對(duì)氧化鋁輸運(yùn)過程的研究不夠深

2、入等缺陷，提出了一種渦分析方法，同時(shí)建立較為完善的用于模擬鋁電解槽內(nèi)氧化鋁輸運(yùn)過程的數(shù)學(xué)模型，并成功應(yīng)用于實(shí)際鋁電解槽的熔體運(yùn)動(dòng)分析與下料點(diǎn)配置的設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。論文的主要工作及成果如下:
　　 (1)針對(duì)鋁電解槽內(nèi)熔體呈現(xiàn)明顯渦運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，提出并使用渦量法和旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度法實(shí)現(xiàn)了電解質(zhì)-鋁液-陽極氣泡三相流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)流動(dòng)形態(tài)的精確定量解析。結(jié)果表明電解質(zhì)的渦運(yùn)動(dòng)受陽極氣泡和電磁力的共同作用，但二者的作用特點(diǎn)有所不同:陽極氣泡溢出過程的攪動(dòng)

3、作用導(dǎo)致陽極周圍成對(duì)出現(xiàn)較小尺度的渦且其垂直渦量呈現(xiàn)反向?qū)ΨQ的特點(diǎn);而電磁力則導(dǎo)致部分陽極底掌區(qū)域出現(xiàn)較大尺度的渦，電磁場(chǎng)的不均勻分布導(dǎo)致了渦結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性。
　　 (2)建立了鋁電解槽內(nèi)氧化鋁輸運(yùn)過程的多組分多相流瞬態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)了全槽氧化鋁濃度分布情況的瞬態(tài)解析。計(jì)算發(fā)現(xiàn)氧化鋁輸運(yùn)受熔體流動(dòng)推動(dòng)，其分布呈漩渦狀特點(diǎn)，并具有顯著的時(shí)間性和槽內(nèi)空間性差異。單因素研究表明陽極氣泡作用是促進(jìn)氧化鋁輸運(yùn)的主要推動(dòng)力;而電磁力的作用強(qiáng)度雖