铝电解槽多场交互下多相流体动力学及氧化铝的输运和传质研究

项目提出从铝电解槽熔体运动整体性出发，建立多场交互作用下"铝液-电解质-气泡"多相流模型及氧化铝在电解质中的输运和传质模型，以解决传统流场模型与真实电解槽内流体体系间偏差较大的难题，并全面解析多相流动条件下氧化铝全槽浓度分布的时变情况。. 拟结合铝电解体系特点，建立"铝液－电解质－气泡"多相流模型，实现数值计算；并将其应用于大型工业铝电解槽及新型结构槽的流场计算，论证模型的有效性和计算结果的可靠性，揭示设计和工艺参数对于流场的影响规律；根据组分守恒方程建立氧化铝的输运和传质模型，通过数值计算全面解析氧化铝全槽浓度分布的时变情况并给予实测验证；通过以上分析，提出流场、槽结构、下料点和下料制度及阴极结构等设计的优化方向，给出可行的优化方法和技术原型。. 本项目成果将为新型高效能铝电解槽的设计开发及现有电解槽的优化提供新思想和方法，对降低铝电解工业的能耗具有重要指导意义。

铝电解槽是工业炼铝的核心设备，其工作性能决定了铝电解工业的整体技术水平。在工业生产中，槽内熔体运动直接影响铝电解槽的工作性能，建立先进可靠的铝电解流体模型实现对槽内熔体流动行为的准确解析以及对于大型铝电解槽的优化设计以及生产工艺的改进有着十分重大的意义，亦是铝电解工业实现进一步提效节能目标的重要基础之一。本项目在基金委青年基金项目的资助下，开展铝电解槽内熔体三相流（铝液-电解质-阳极气泡）及氧化铝输运与传质的建模研究，所获主要结果如下：.（1）建立了铝液-电解质-气泡稳态三相流多相模型，充分考虑了三相运动之间的联系以及槽内熔体运动的整体性，实现了一个模型下全域流场的一体化解析，根据各相的体积分数分布确定电解质-铝液界面分布，取代了基于分层流体压强连续原则的近似计算方法。.（2）将三相流模型应用于420kA异型阴极铝电解槽及500kA特大型铝电解槽中，结果表明三相流模型能更好的反应这两类电解槽内熔体运动的细节，验证了各类型结构对于槽内熔体流动的较大影响较大，为其结构优化提供手段。 .（3）结合电场特点和下料制度引入氧化铝组分下料与消耗过程的质量源项，建立了铝电解槽内氧化铝输运过程的多组分多相流瞬态模型，充分考虑了多相流体运动及槽内氧化铝输运过程的整体性，最终实现了全槽氧化铝浓度瞬态分布情况的精确解析。.（4）对大型预焙铝电解槽下料点的优化配置进行了仿真对比研究，并以此提出下料器配置准则，结果表明，氧化铝下料点处于阳极中缝与间缝的交叉位置时可有效利用阳极气泡的搅动作用，从而有助于氧化铝的及时分散；而将下料点布置在电解质流场中较大尺寸的涡的边缘且流线密集的区域，则有利于氧化铝向全槽的较大范围进行输运。.（5）在上述研究成果的基础上，开发得到铝电解槽多相混合流体动力学仿真计算和优化设计模型一套。