節能與環保是鋁電解工業兩大永恒的主題,現代大型鋁電解槽在解決了電磁場分布、溫度場分布的問題之后,又面臨著流場分布及氧化鋁濃度分布的難題,氧化鋁濃度分布與控制可以影響鋁電解過程中能量消耗和溫室氣體排放,因此對鋁電解槽中氧化鋁濃度分布的研究具有重要意義。本文是國家自然科學基金重點項目的一部分內容,主要研究鋁電解槽電解質流場和下料點附近氧化鋁濃度分布。首先采用二維VOF模型建立鋁電解槽橫向斷面電解質流場模型,模擬陽極氣泡在陽極底掌生成與遷移、陽極邊緣釋放以及豎直上升過程。研究結果表明:電解質流場經過4s達到暫穩態,由于氣體體積分數的差異,在中縫中央和液面深度一半的位置,電解質流速相對較大;氣泡在陽極底掌呈Fortin型與陽極傾角無關,而與模型中陽極氣體的注入方式有關;氣泡在陽極邊緣釋放或豎直上升過程中,先緊貼著陽極,然后開始脫離陽極;由于陽極倒角的存在,會影響陽極氣泡在陽極邊緣的釋放,改變氣泡在陽極邊緣釋放的初始速度,最終改變電解質流場。其次采用VOF-DPM模型模擬溶解后的氧化鋁和氧化鋁顆粒在電解槽電解質中的分散情況,同時對加入氧化鋁前后的電解質流場進行對比。研究結果表明:VOF模型并不適于模擬溶解后的氧化鋁分散情況,而應采用組分傳輸模型;氧化鋁顆粒從中縫向極間運動過程中,隨密度的增加,氧化鋁的遷移速度增加;同時密度為2600kg/m3的顆粒能更加均勻地分散至整個極間區域,有利于減小電解質中氧化鋁濃度梯度;此外氧化鋁的加入使電解質的平均流速降低0.065m/s左右,中縫中央電解質流速降低最明顯,而靠近陽極豎直壁面的電解質流速相對增加。本文采用文獻數據對比分析和工業測量兩種方法,對采用VOF模型建立的電解質流場進行驗證,同時還對400kA工業鋁電解槽的液態電解質總質量進行測量與估算。結果表明:中縫電解質流速的模擬結果(0-0.4m/s)屬于合理的范圍之內;通過鍶的傳質時間與距離得到電解質最大流速、最小流速和平均流速分別為0.015m/s、0.0051m/s和0.010m/s;液態電解質總質量測量與估算結果分別7.19t和8.93t。
【學位單位】：東北大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2016
【中圖分類】：TF821
【部分圖文】：

圖１．３電解槽中電磁力作用下的電解質流動１８１??

最大流速達到１１．２ｃｍ／ｓ。??吳建康和黃俊等人［１８＿１９］采用ＡＮＳＹＳ有限元法模擬２３０ｋＡ電解槽中電磁力作用下??的電解質流動，如圖１．５，得到的電解質流場水平方向幾乎對稱但旋向相反的兩個渦，??因此一個漩渦中央的鋁液表面上升，另一個則下降。從圖１．５得到的流場可以看出，??在渦的中心電解質流動速度較小，而在靠近壁面處最大，最大的流速為１８．３５ｃｍ／ｓ，由??于Ａ面的磁場比Ｂ面大，導致Ａ面的速度比Ｂ面的速度大很多，同時氧化鋁下料點??可以布置在電解質速度較大的壁面附近，有利于氧化鋁的遷移。??ｖ?Ｂ?面．，??個１隱，??Ａ面－?＾??圖１．５電解槽中電磁力作用下的電解質流動??Ｆｉｇ．?１．５?Ｔｈｅ?ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ?ｆｌｏｗ?ｄｒｉｖｅｎ?ｂｙ?ｔｈｅ?ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ?ｆｏｒｃｅ?ｉｎ?ａｌｕｍｉｎｕｍ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ?ｃｅｌｌ??綜上所述，從陽極流向陰極的電流產生一個水平的磁場，豎直的電流與水平的磁??場相互作用產生水平電磁力

泡的形態與分布。粒子圖像測速法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ?Ｉｍａｇｅ?Ｖｅｌｏｃｉｔｙ，?ＰＩＶ）和激光多普勒測法??（Ｌａｓｅｒ?Ｄｏｐｐｌｅｒ?Ｖｅｌｏｃｉｔｙ，?ＬＤＶ）常用于對陽極氣泡引起的電解質流場的測量［２１］。??Ｆｏｒｔｉｎ等人［２（）］采用空氣－水模型研究了氣泡在陽極底掌的行為，如圖１．６，在最開??始的階段，氣泡僅僅球形長大而不出現合并；當氣泡長大到一定的程度之后，氣泡開??始橫向合并，然后合并成一個大氣泡覆蓋整個陽極底掌，最后大氣泡從陽極邊緣釋放。??０?②?＠??：二：?－ｉ－ｌ??—－—?￣??－：Ｈ?乜?ｄ?Ｂ?５?二?￣￣?＾?—二￣￣?－?？丄?Ｃ?（???＠?⑤?⑤??：：：?＾?０??圖１．６鋁電解槽中陽極底掌氣泡釋放示意圖??Ｆｉｇ．?１．６?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｒａｗｉｎｇ?ｏｆ?ｂｕｂｂｌｅｓ?ｒｅｌｅａｓｉｎｇ?ｕｎｄｅｒ?ａｎ?ａｎｏｄｅ?ｉｎ?ａｌｕｍｉｎｉｕｍ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ?ｃｅｌｌｓ??同時Ｆｏｒｔｉｎ發現陽極氣泡在陽極底掌呈現頭部較厚（約為２ｃｍ），尾部較薄（約??５ｍｍ）較長的形狀，因此這樣的氣泡也稱為Ｆｏｒｔｉｎ氣泡（如圖１．７）。整個氣泡的長度??為２－１２８ｃｍ不等，并隨著電流密度的增大而增大，隨著電解質流速或陽極傾角的增大??－７－??
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本文編號：2889895