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铝电解气泡行为的高温实验研究与数值仿真

赵志彬  
【摘要】:铝电解的阳极气泡产生过程涉及液-固界面上产生气体,形成气-液-固多相反应体系,涉及电场、磁场和气-液流场等多场耦合。对阳极气泡行为的研究是铝电解领域的热点与难点,也是从根本上解决铝电解节能环保问题的理论基础之一。本文详细综述了前人的研究工作,开发了高温电解模型(底部观测高温透明电解槽)、构建了微尺度数值模拟模型(VOF模型和VOF-MHD模型),对铝电解过程产生的阳极气泡行为进行了基础性研究。利用开发的底部观测新型高温透明电解槽,首次直接观察到了电解状态下的阳极底面气泡行为。研究了不同电流密度下气泡的产生、长大及聚合行为,气泡排出周期,以及对应的电压降关系。研究发现阳极气体覆盖率的变化与槽电压的波动高度吻合,气泡的周期性行为是引起槽电压波动的主要原因之一;气体覆盖率随着电流密度的增大而减小;槽电压的波动幅值随电流密度的增大呈先增大后减小的趋势。利用此新型高温透明电解槽,进一步研究了阳极开槽对气泡行为的影响。发现阳极开槽(宽度为4mm)对降低气泡层厚度的作用不明显,但其应用能显著降低气泡尺寸、气体覆盖率及槽电压的波动幅度。针对广泛应用的水模型,构建了气泡在液体中运动的三维计算流体力学模型,对比了冰晶石-二氧化碳和水-空气系统中气泡行为的相似性与差异性。在微尺度单气泡数值模拟中,相对于空气气泡,二氧化碳气泡呈现出较大的覆盖面积、较小的气泡厚度和较大的滑移速度。界面润湿性的不同是造成两系统间气泡行为差异性的决定因素,运动粘度、表面张力和密度等因素不会对气泡行为的不同产生明显影响。通过微尺度多气泡数值模拟模型,对比了两系统中气泡所引起的宏尺度液相流动的异同。尽管两系统中气泡呈现出一些不同的行为,但整个流场的时均特征(流动模式、湍流参数和气相率等)极为相似。这表明以水模型代替真实冰晶石-二氧化碳系统,研究气泡所引起的宏尺度流动和其他相关湍流行为是可行的。模型对气泡产生的湍动能及湍流耗散率进行了计算分析,发现时均湍流分布区域与气泡运动路径吻合,主要分布在靠近阳极侧壁和液相表面气泡逸出处。湍动能和湍流耗散率具体计算方式的提出对完善宏尺度双流体模型中的本构关系具有重要意义。模型进一步耦合了ANSYS/Fluent软件中的MHD模块,建立了气泡在电磁作用下运动的电-磁-流耦合模型,初步探索了电磁作用对气泡行为的影响。-结果表明目前工业电解槽强度量级的磁场对气泡运动的影响很小,气泡周围电解质中的电磁力强度区间为0~50N/m3。


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