中南大学学报(自然科学版) 第43卷 起电流效率的损失。另外,若极间氧化铝浓度降低, 炭阳极与电解质的润湿性变差,气泡更难排出并逐渐 理论基础及模型 聚合形成连续气膜覆盖于阳极底掌,就会引发阳极效 应,槽电压大幅上升,产生大量额外电能消耗并引起 极间过热,导致电解生产不稳定。解决这些问题的1.1控制方程 关键在于使电解反应过程产出的阳极气体及时排 在铝电解槽膛内,典型的物相有气泡、电解质 并使阳极周围电解质的流动更有利于电解槽的传质传铝液及少量固体分散物等,因此,研究槽内的流体流 热。国内外研究与应用表明,在炭阳极上开槽可以有动时,需采用多相流的计算方法。关于电解质的运动, 效促进阳极气体的排放,表现出良好的节能减排效已有许多的研究表明气体的作用是最主要的因 果5叫,然而在阳极开槽的工业应用中也产生了一些问素,因此本文中仅研究阳极气体作用下的电解质 题,改变了原本电解槽的许多行为,出现了若干负面流动,即仅包含气泡与电解质两相。不考虑熔体中的温 影响,如炭渣上升、阳极使用周期缩短及铝液中铁含度差以及气泡的分散与聚合,采用欧拉欧拉法计算此 量升高等。因此,为优化阳极开槽设计,减小开气泡电解质两相流动,其连续性方程及动量方程为: 槽对电解槽的负面影响,针对阳极开槽对电解过程影 ar apa)+\ VapaUm)=0 (1) 响的研究具有非常重要的意义。 Grunspan研究了在 阳极上开倾斜向上的导气槽,指出此种开槽方法相对 ( pau)+V·(z(paUa×Ua) 于水平开槽更加有利于气泡排出。李相鹏等1从电解 质流动及湍动的角度研究了开槽阳极对电解质流动的 ra vpa +v auger (vUa +(VUa)))+SM+M 影响,指出部分阳极气体可以从开槽部位排出,从而 (2) 减少气体在阳极底掌的停留时间及覆盖率,并且促进式中:ra,Pa和U分别为第a相(a分为Ba相和 电解质向开槽部位流动,对降低极间压降与阳极效应 相,分别代表电解质和气泡)的体积分数、密度和平均 系数以及保持电解槽良好的传质传热都有利;同时, 速度;{acm为有效黏度;Pa为两相压力:SM为作用 阳极开通槽相对于非通槽更能保持电解质的稳定流 于a相的外部作用力;M为流动相间的动量传递,与 动,对电流效率也更加有利。Yang等利用PV粒相间相对速度、密度和曳力有关。在每个流体部分的 子图像测速技术)研究阳极开槽的深度及宽度对电解每个微元内,电解质和气泡同时共存,相互间体积分 质流动的影响,指出随着阳极消耗,导气槽浸没于电数满足如下关系 解质的部分越来越少,气体从导气槽中排出对于电解 质流动影响越大,电解质循环中心向上移动,阳极开 槽湍动比不开槽的要小:开槽宽度的增大,从导气槽 气泡与电解质间的曳力系数C采用Ishi- Zuber关 中排放的电解质流速增大,同时湍动能减小,电解质系式进行计算: 流动更加稳定。徐宇杰基于考虑电磁力及水平流动 影响的非线性浅水模型分别计算了在无气泡影响及有 C=max{max(1+0.1Re).0.44 气泡影响情况下的磁流体波动稳定性,指出气泡的存 8 (4) 在加剧了铝液电解质界面的变形程度,对电流分布的 均匀性会产生负面影响;因此可以合理推测,减小气式中:Re为颗粒 Reynolds数:Eo为 Eotvos数。分别 泡的影响对于改善槽内磁流体波动性也有作用。工业为 应用的实际效果及以上研究都表明:阳极开槽可以有 Ba JUBu-Ubald 效促进阳极气体的排出,然而对于阳极开槽方式的设 计,大多基于经验判断,缺少相关理论研究,而这对 Eo="PBald- 于气泡排出的效果有决定性影响。本文作者运用数值 仿真的方法研究预焙铝电解槽阳极不同开槽方式对于式中:a为电解质黏度;d为气泡直径;g为重力加 阳极气体排出的影响,从阳极底掌下气泡层存在状态速度:a为气泡与电解质的界面张力 的角度分析不同开槽方式对于阳极气泡排出的作用 非均相多相流动可应用均相湍流模型或非均相湍 结果可为优化阳极开槽设计提供参考 流模型进行计算,但采用均相湍流模型更为普遍。4618  中南大学学报(自然科学版) 第 43 卷 起电流效率的损失。另外，若极间氧化铝浓度降低， 炭阳极与电解质的润湿性变差，气泡更难排出并逐渐 聚合形成连续气膜覆盖于阳极底掌，就会引发阳极效 应，槽电压大幅上升，产生大量额外电能消耗并引起 极间过热，导致电解生产不稳定[4] 。解决这些问题的 关键在于使电解反应过程产出的阳极气体及时排出， 并使阳极周围电解质的流动更有利于电解槽的传质传 热。国内外研究与应用表明，在炭阳极上开槽可以有 效促进阳极气体的排放，表现出良好的节能减排效 果[5−9] 。 然而在阳极开槽的工业应用中也产生了一些问 题，改变了原本电解槽的许多行为，出现了若干负面 影响，如炭渣上升、阳极使用周期缩短及铝液中铁含 量升高等[10−11] 。因此，为优化阳极开槽设计，减小开 槽对电解槽的负面影响，针对阳极开槽对电解过程影 响的研究具有非常重要的意义。Grunspan [12] 研究了在 阳极上开倾斜向上的导气槽，指出此种开槽方法相对 于水平开槽更加有利于气泡排出。李相鹏等[13] 从电解 质流动及湍动的角度研究了开槽阳极对电解质流动的 影响，指出部分阳极气体可以从开槽部位排出，从而 减少气体在阳极底掌的停留时间及覆盖率，并且促进 电解质向开槽部位流动，对降低极间压降与阳极效应 系数以及保持电解槽良好的传质传热都有利；同时， 阳极开通槽相对于非通槽更能保持电解质的稳定流 动，对电流效率也更加有利。Yang 等[14] 利用 PIV(粒 子图像测速技术)研究阳极开槽的深度及宽度对电解 质流动的影响，指出随着阳极消耗，导气槽浸没于电 解质的部分越来越少，气体从导气槽中排出对于电解 质流动影响越大，电解质循环中心向上移动，阳极开 槽湍动比不开槽的要小；开槽宽度的增大，从导气槽 中排放的电解质流速增大，同时湍动能减小，电解质 流动更加稳定。徐宇杰[15] 基于考虑电磁力及水平流动 影响的非线性浅水模型分别计算了在无气泡影响及有 气泡影响情况下的磁流体波动稳定性，指出气泡的存 在加剧了铝液­电解质界面的变形程度， 对电流分布的 均匀性会产生负面影响；因此可以合理推测，减小气 泡的影响对于改善槽内磁流体波动性也有作用。工业 应用的实际效果及以上研究都表明：阳极开槽可以有 效促进阳极气体的排出，然而对于阳极开槽方式的设 计，大多基于经验判断，缺少相关理论研究，而这对 于气泡排出的效果有决定性影响。本文作者运用数值 仿真的方法研究预焙铝电解槽阳极不同开槽方式对于 阳极气体排出的影响，从阳极底掌下气泡层存在状态 的角度分析不同开槽方式对于阳极气泡排出的作用， 结果可为优化阳极开槽设计提供参考。 1  理论基础及模型 1.1  控制方程 在铝电解槽膛内，典型的物相有气泡、电解质、 铝液及少量固体分散物等，因此，研究槽内的流体流 动时，需采用多相流的计算方法。关于电解质的运动， 已有许多的研究表 明气体的作用是最主要的因 素[14−17] ，因此本文中仅研究阳极气体作用下的电解质 流动， 即仅包含气泡与电解质两相。 不考虑熔体中的温 度差以及气泡的分散与聚合，采用欧拉­欧拉法计算此 气泡­电解质两相流动，其连续性方程及动量方程为： (r ) (r U ) 0 t ara ara a ¶ + — × = ¶ (1)  (r U ) (r ( U U )) t ara a a ra a a ¶ + — × ¥ = ¶ T  eff ( ( ( ) )) M  r p r U U S M - a— a + — ama a a a a × — + — + + (2)  式中：rα，ρα 和 Uα 分别为第 α 相(α 分为 Ba 相和 Bu  相，分别代表电解质和气泡)的体积分数、密度和平均 速度；μα,  eff 为有效黏度；Pα 为两相压力；SMα 为作用 于 α 相的外部作用力；Mα 为流动相间的动量传递，与 相间相对速度、密度和曳力有关。在每个流体部分的 每个微元内，电解质和气泡同时共存，相互间体积分 数满足如下关系： r 1 Â a = (3)  气泡与电解质间的曳力系数 C 采用 Ishii­Zuber 关 系式进行计算： 24 0.75 C max max (1 0.1Re  ),0.44 Re Ï È ˘ = Ì + Í ˙ Ó Î ˚ 2 0.5 8 min ,  3 3 Eo È ˘ ¸ ˝ Í ˙ Î ˚˛ (4)  式中：Re 为颗粒 Reynolds 数；Eo 为 Eotvos 数。分别 为： Ba Bu Ba  Ba r U U d Re m - = (5)  2 Bu Ba g d Eo r r s - = (6)  式中：μBa 为电解质黏度；d 为气泡直径；g 为重力加 速度；σ 为气泡与电解质的界面张力。 非均相多相流动可应用均相湍流模型或非均相湍 流模型进行计算，但采用均相湍流模型更为普遍[17]