4624 中南大学学报(自然科学版) 第43卷 体积分数:1×1051×10-12×10-13×1014×10-体积分数:1×1051×10-12×1013×1014×10 体积分数:1×1051×10-12×1013×10-14×10-1体积分数:1×10-51×10-12×1013×1014×10 (a)方案N:(b)方案O:(c)方案P;(d)方案Q 图5不同竖直方向上开槽方案阳极底掌下105mm电解质层中气泡体积分数的分布 Fig 5 Distribution of bubble volume fraction in electrolyte layer of 10.5 mm below anode with different vertical slot cutting 布状况的计算结果,图5所示分别为开槽方案为N至对称的竖直开槽促进排气的效果稍好 Q距阳极底掌10.5mm的电解质截面上气泡体积分数 从减小阳极底掌下电解质中气泡含量考虑,在阳 分布情况,各分布图中左侧指向电解槽大面。 极上进行侧部竖直开槽不应作为主要的开槽方式,但 由图5可以看出:对阳极侧部竖直方向上开槽,相对于长度与宽度方向上导气槽有寿命限制的缺点 对于减小阳极底掌以下中心聚集的下部气泡层范围和其在阳极的整个使用期间都能发挥作用的优点同样值 大小都有一定作用,但相对于长度和宽度方向上的开得利用,可以考虑将竖直开槽与长度方向或宽度方向 槽方式,这种作用总体并不太显著,合适的长度方向开槽结合起来使用。 或宽度方向的开槽可以完全消除气泡直径范围以下的 中心气泡层,而竖直开槽的计算结果则显示不能得到 较好的排气效果。由图5与图4c对比可知:由于3结论 竖直方向开槽时底掌部分不能连通并且靠近侧面的气 体本身就较为容易排放,因而即便在侧面开槽数量较 (1)阳极在不开槽时,底掌下电解质中的气泡在 多也不能有效地促进气体排放,综合3种开槽方式可水平方向上可以分为2层,靠上的一层为方形薄层状 知,开槽位置要选择尽量靠近气泡体积分数分布最大的分布,靠下的一层为聚集于中部位置的气泡层,大 的位置才能起到较好的效果,这在表5中得到体现,致呈半方半椭圆形分布,气泡含量从中心到边缘呈减 气泡层厚度和含量与侧部竖直开槽数量之间关系并不少的趋势,并且较多的聚集在阳极底掌的中部,整个 大,即使开设6条槽也并不能有效地减小气泡层的气气泡层厚度较大且气体含量多,这对于降低槽电压及 泡体积分数及气泡积存量,对比相同深度的4条槽 实现低阳极效应系数都是相当不利的 其相同电解质截面上的气泡体积分数只减小了不到 (2)在阳极长度方向上的开槽,可以有效减小气 1%,气泡总积存量只减小了0.2L。对比图5(b)与5(c)泡层的厚度与分布范围。开槽的数量及位置对开槽后 可知:竖直方向上的开槽深度对气泡层的范围和气泡的排气效果均有影响,在阳极长度方向上开1条槽 体积分数有一定的影响,开槽深度为200mm的气泡在侧边距大于200mm的位置上对称的开2条槽是较 层范围及气泡体积分数相对于开槽深度为150mm时为合理的选择。 都有明显减小,由表5可知:开槽深度由150mm加 (3)在阳极宽度方向上开槽有利于减小气泡层的 大到200mm时,气泡的总积存量减小了0.5L。此外,分布范围及气泡含量,且效果受开槽数量的影响较大, 对比图5(c)与图5(d)可以看出:交错相间的侧部竖直只有在开4条导气槽时才能完全消除阳极底掌的中心 开槽能在一定程度上减小气泡层中的最大气泡体积分聚集的气泡层;此外,考虑气泡分布不均匀,宽度方 数,减小此部分气泡层与铝液接触的可能性,相对于向上的导气槽可以向大面稍微靠近。4624  中南大学学报(自然科学版) 第 43 卷 (a) 方案 N；(b) 方案 O；(c) 方案 P；(d) 方案 Q 图 5  不同竖直方向上开槽方案阳极底掌下 10.5 mm 电解质层中气泡体积分数的分布 Fig.5 Distribution of bubble volume fraction in electrolyte layer of 10.5 mm below anode with different vertical slot cutting  布状况的计算结果，图 5 所示分别为开槽方案为 N 至 Q 距阳极底掌 10.5 mm 的电解质截面上气泡体积分数 分布情况，各分布图中左侧指向电解槽大面。 由图 5 可以看出：对阳极侧部竖直方向上开槽， 对于减小阳极底掌以下中心聚集的下部气泡层范围和 大小都有一定作用，但相对于长度和宽度方向上的开 槽方式，这种作用总体并不太显著，合适的长度方向 或宽度方向的开槽可以完全消除气泡直径范围以下的 中心气泡层，而竖直开槽的计算结果则显示不能得到 较好的排气效果。由图 5(c)与图 4(c)对比可知：由于 竖直方向开槽时底掌部分不能连通并且靠近侧面的气 体本身就较为容易排放，因而即便在侧面开槽数量较 多也不能有效地促进气体排放，综合 3 种开槽方式可 知，开槽位置要选择尽量靠近气泡体积分数分布最大 的位置才能起到较好的效果，这在表 5 中得到体现， 气泡层厚度和含量与侧部竖直开槽数量之间关系并不 大，即使开设 6 条槽也并不能有效地减小气泡层的气 泡体积分数及气泡积存量，对比相同深度的 4 条槽， 其相同电解质截面上的气泡体积分数只减小了不到 1%，气泡总积存量只减小了 0.2 L。对比图 5(b)与 5(c)  可知：竖直方向上的开槽深度对气泡层的范围和气泡 体积分数有一定的影响，开槽深度为 200  mm 的气泡 层范围及气泡体积分数相对于开槽深度为 150  mm 时 都有明显减小，由表 5 可知：开槽深度由 150  mm 加 大到 200 mm 时， 气泡的总积存量减小了 0.5 L。 此外， 对比图 5(c)与图 5(d)可以看出：交错相间的侧部竖直 开槽能在一定程度上减小气泡层中的最大气泡体积分 数，减小此部分气泡层与铝液接触的可能性，相对于 对称的竖直开槽促进排气的效果稍好。 从减小阳极底掌下电解质中气泡含量考虑，在阳 极上进行侧部竖直开槽不应作为主要的开槽方式，但 相对于长度与宽度方向上导气槽有寿命限制的缺点， 其在阳极的整个使用期间都能发挥作用的优点同样值 得利用，可以考虑将竖直开槽与长度方向或宽度方向 开槽结合起来使用。 3  结论 (1)  阳极在不开槽时，底掌下电解质中的气泡在 水平方向上可以分为 2 层，靠上的一层为方形薄层状 的分布，靠下的一层为聚集于中部位置的气泡层，大 致呈半方半椭圆形分布，气泡含量从中心到边缘呈减 少的趋势，并且较多的聚集在阳极底掌的中部，整个 气泡层厚度较大且气体含量多，这对于降低槽电压及 实现低阳极效应系数都是相当不利的。 (2)  在阳极长度方向上的开槽，可以有效减小气 泡层的厚度与分布范围。开槽的数量及位置对开槽后 的排气效果均有影响，在阳极长度方向上开 1 条槽、 在侧边距大于 200  mm 的位置上对称的开 2 条槽是较 为合理的选择。 (3)  在阳极宽度方向上开槽有利于减小气泡层的 分布范围及气泡含量， 且效果受开槽数量的影响较大， 只有在开 4 条导气槽时才能完全消除阳极底掌的中心 聚集的气泡层；此外，考虑气泡分布不均匀，宽度方 向上的导气槽可以向大面稍微靠近