铝电解槽内的电解质运动对传热和传质过程起着十分重要的作用。无论是对于常规铝电解槽的正常运行,还是对于导流型铝电解槽的设计与开发,电解质运动的研究都显得十分重要。 本文以国家“973”项目的子课题“新型导流型铝电解槽设计基础研究”(G1999064903)为依托,以两端进电的156kA预焙铝电解槽为研究对象,首先对铝电解槽内的电解质流场进行了详细分析,并在适当简化的基础上,建立了铝电解槽内电解质运动的物理模型和数学模型;然后,以商业CFD软件CFX4.3为平台,分别对常规槽内电磁力作用、阳极气体作用以及电磁力和阳极气体共同作用这三种情况下的电解质流场进行了数值模拟研究,并对计算结果进行了分析,利用水模型实验和文献结果对计算结果进行了验证;最后,利用已经验证的模型,对一种新型结构的导流槽内的电解质流场进行了数值模拟研究,并研究了阴极倾斜角和极距对电解质流场的影响。 本文的主要创新点及结论如下: (1)本文考虑了所有的电解质流动区域,使研究范围更加全面;首次采用多流体模型对铝电解槽内的电解质运动进行求解,并考虑了气泡的变形,更加接近于实际情况; (2)对常规槽内电解质流场的研究结果表明:电磁力作用时,电解质以水平运动为主,半槽的电解质流场基本上呈现一个大涡的结构;阳极气体作用时,电解质运动主要是以每个阳极周围的小循环为主;电磁力和阳极气体共同作用时,电解质流场与阳极气体作用时几乎完全相同,这说明阳极气体对电解质流场起主要作用; (3)对导流槽内电解质流场的研究结果表明:与常规槽相比,导流槽内的电解质流场分布更为均匀,对应于现有的中间下料制度,更有利于阳极气体的释放,更有利于消除电解质中的浓度梯度和温度梯度,也更有利于氧化铝的混合和扩散; (4)阴极倾斜角和极距对导流槽内的电解质流动有一定程度的影响,这为导流槽的结构优化提供了理论依据。