铝电解槽中气泡行为与流场模拟的基础研究

论文摘要

铝电解是铝工业的核心,其发展与进步代表着电解铝工业的革新。阳极气泡的行为影响铝电解过程的传质传热,增加了电解质的电压降,影响电流密度分布。此外气泡的运动能影响电解质运动,有利于氧化铝溶解和扩散,均匀槽内的温度和浓度梯度,促进电解质与结壳之间的热交换；也可能导致铝液波动,引起槽的不稳定性,增大铝再氧化的可能性,从而降低电流效率。所以研究阳极气泡的行为具有非常重要的意义。本文以高温透明槽模拟工业铝电解槽,以石墨电极模拟工业电极,进行物理实验。以此为研究对象,在适当简化的基础上,建立了透明槽内气泡行为和电解质流动的物理模型和数学模型。然后以商业流体软件FLUENT为平台,分别对电解质中二氧化碳气泡自由上升行为、阳极底掌气泡行为以及在气泡作用下槽内电解质流场进行数值模拟研究,摸索了接触角、表面张力等参数的影响。对模拟结果进行了分析,并用高温透明槽实验和文献结果进行了验证。本文的主要研究内容及结果如下：（1）本文模拟了二氧化碳气泡自由产生、长大、逸出等行为,模拟发现：气体产生、长大到脱离的时间较长,而气体脱离到逸出的过程较短,仅为0.04s左右。气泡长大到5mm左右的半球形时,在浮力、重力、表面张力的共同作用下,开始纵向生长,最后脱离,快速逸出电解质。在气泡上升过程中,气体成椭球帽状,长轴直径为10mm,气泡的周期为0.8s。对模拟结果用透明槽进行了验证,取得了较好的相似性。（2）本文模拟了阳极底掌气泡的产生、长大、逸出等行为,发现阳极底掌气体以点的形式产生,当气泡长大到1-2mm时,开始合并,形成气泡层；随着时间进行,气泡层厚度逐渐增大；当达到最大厚度5-6mm时,气体逸出底掌,在阳极侧部形成气泡；此气泡逐渐长大,当达到10～15mm时,阳极底掌气体全部转移到侧部；侧部气泡脱离阳极,在电解质中上升的过程中继续变大,最后逸出电解质,此过程的周期为5s。模拟结果用透明槽进行了验证,取得了较好的相似性。（3）本文模拟了在气泡作用下,透明槽电解质、气体两相的流动状况。通过模拟发现,电解质在阳极侧部,电解质上表面的速度最大,最大速度为0.38m/s,此结果与Feng Yuqing等人的模拟结果相近,最小速度分布在阳极侧部通道的中心位置,熔体在此位置形成涡旋,涡旋成椭圆形,氧化铝等在此区域聚集。气体的分布区域主要集中在阳极底掌和侧部,甚至在阳极底掌气相的体积分数达到了100%。该模拟结果与透明槽实验结果进行了对比,部分结果取得了较好的相似性。本文希望利用已验证的模型对以后大尺寸透明槽的高温模拟打下基础,有助于更好的模拟工业槽。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 铝电解工业简介
• 1.2 我国铝电解工业现状
• 1.3 铝电解槽中阳极气泡的数学模拟现状与进展
• 1.3.1 对阳极气泡行为的研究
• 1.3.2 气体对熔体流动的影响
• 1.4 有限体积法简介
• 1.5 研究内容及创新点
• 第2章 物理实验和数学模型
• 2.1 物理实验
• 2.1.1 实验装置及设备
• 2.1.2 实验药品及处理
• 2.1.3 实验过程
• 2.2 数学模型
• 2.2.1 流体动力学的基本控制方程
• 2.2.2 湍流方程
• 2.2.3 CFD的求解流程
• 第3章 自由上升的二氧化碳气泡行为模拟
• 3.1 建模过程
• 3.2 边界条件的设定
• 3.3 模拟结果与实验结果对比
• 3.6 小结
• 第4章 透明槽中阳极底掌气泡的行为模拟
• 4.1 建模过程
• 4.2 边界条件的设定
• 4.3 模拟结果与实验结果的对比
• 4.4 小结
• 第5章 透明槽中电解质的流动模拟
• 5.1 建模过程
• 5.2 边界条件的确定
• 5.3 模拟结果与实验结果的对比
• 5.4 小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历