铝电解气液两相流多尺度CFD-MHD耦合模型开发及应用研究

The bubbles of carbon dioxide produced during the process of aluminum electrolysis obstruct the passage of current. It is one of the most important factors which cause the electric wastes. Hence, the study of the behaviors of bubble beneath the anode is quite important for energy saving of aluminum electrolytic industry and optimization of cell design. This project aims to develop a leading-edge computational fluid dynamics-Magneto hydrodynamic (CFD-MHD) coupled model that can effectively capture the detailed bubble dynamics in aluminum-electrolytic cells, such as bubble formation, its breakup and coalescence at the micro– scale. Following model validation using room temperature electrolytic (copper sulfate solution) model, the micro CFD-MHD coupled model will be used to build up constitutive correlations to investigate the relationships between important parameters, and derived empirical equations to describe them, such as the constitutive relation between electromagnetic force, current distribution and bubble motion. These important results can offer the necessary technical support for cell optimization and development. Moreover, the results from micro– scale model can be used to improve the accuracy of the macro-model significantly through using the derived empirical equations. Then, the optimized macro-model can quantitative analysis the effect of different operation parameters and desire parameters on bath flow. It have significant meaning for further promotion level of basic research of aluminum electrolysis.

在铝电解过程中，阳极底部产生的气泡是造成电能浪费的重要因素，因而研究阳极气泡行为对发展铝电解工业的节能技术极为重要。本研究建立微尺度VOF-MHD（流场-磁场）耦合模型模拟电解过程中气泡的具体行为，包括其产生、移动、破裂和聚合，且采用低温电解模型对计算模型进行验证和优化。基于微尺度的计算结果，分析电解槽流场各参数之间关系，推导重要参数的宏尺度半经验公式，如考虑电磁力、气泡分布以及电流分布之间的本构关系，为新型电解槽的开发和现有电解槽的工艺优化提供技术支持。利用推导出的关系式，提高宏尺度铝电解双流体数值模型的模拟精度。使用宏尺度模型定量分析不同设计及操作参数对铝电解过程流场的综合影响。最后根据分析结果提出铝电解槽设计优化方案。这对于提升我国铝工业的基础研究水平、促进我国铝工业朝着节能减排高水平发展具有重要意义。

研究基于低温物理仿真模拟平台和有限元仿真技术对铝电解过程进行模拟仿真，其主要成果包括：考虑到目前铝电解节能以及电解过程的稳定性的关键在于电解槽内部气泡存在。搭建低温物理仿真模拟平台用于研究阳极形状，电流密度等关键参数对气泡运动行为的影响。研究表明阳极侧部形状对侧部气泡的运动行为影响很大，传统阳极侧部气泡轨迹呈现S型，气泡在上升过程中形状变化剧烈且运动过程中瞬时速度波动较大。通过优化阳极侧部形状可以改变气泡上升的轨迹和气泡形态，使得气泡更快更稳定的离开电解槽。为了摆脱气泡在阳极底部带来的额外电能耗，通过结合低温物理仿真模拟和 MHD-CFD数值模拟，研究额外添加磁场力对气泡运动行为和气泡形态的影响。结果表明，外加磁场产生的洛伦兹力可以促进气泡更加快速的离开阳极底部，同时会导致阳极气泡的形态发生变化。在磁场力的作用下，阳极底部的气泡的长度变短，头部的高度增加。当阳极底部水平时，外加磁场对气泡行为的影响比较小。但是当阳极底部存在即使非常小的倾斜角度（1°）的情况下，外加磁场对气泡的影响会变的显著。考虑到水平电流和磁场产生的洛伦兹力是是影响铝电解槽铝液的波动的主要因素，基于有限元仿真计算，对铝电解槽阴极结构进行优化，通过可靠的电场仿真计算设计出可以大幅度减少水平电流的一种阴极结构和一种阴极钢棒结构。降低铝电解槽中水平电流的阴极结构，包括设于铝电解槽中的阴极炭块，阴极炭块两对称侧部分别设有狭缝，每个狭缝中分别填充有绝缘材料，阴极炭块底部设有阴极电极部，阴极电极部分为远离电解槽中心和靠近电解槽中心的两段，远离电解槽中心的一段阴极电极部为阴极钢棒，靠近电解槽中心的另一段阴极电极部为另一种导电材料制成，靠近电解槽中心的一段阴极电极部顶部设为多级阶梯面。