摘要
铝电解是一个涉及到电、磁、热、流、应力以及浓度场的多物理场耦合变化的复杂过程，通过分析铝电解槽内多物理场的分布，可以优化铝电解生产工艺，提高电解槽生产效率以及延长槽寿命，对电解槽的稳定运行具有重要的工程意义。特别是在更换阳极炭块后，电解槽内的各物理场变化明显，同时更换不同位置的阳极炭块造成的影响也不尽相同，为了获取更高的生产效率，保证阳极更换过程的安全进行，要针对不同的更换位置采取相应的措施。但由于铝电解工业过程涉及高温强腐蚀性熔盐，同时现阶段经济有效的在线分析检测设备和方法的不完善、实验条件的恶劣性和现场环境的复杂性，通过现场操作获取这个过程的数据是比较费时且困难的。因此，采用数值计算方法可以有效的研究铝电解槽多物理场，为现场操作提供理论指导。 本文针对更换阳极炭块之后的铝电解槽，建立电解质-铝液三维非稳态两相磁流体数学模型。基于有限元磁矢势法，求解麦克斯韦方程组计算磁感应强度，并将磁感应强度的数据导入到Fluent软件中，结合磁流体模型中的电势法计算电磁力。采用标准k-ε湍流模型分析电解质和铝液的流动。采用流体体积函数(Volume-of-Fluid，VOF)多相流模型分析电解质-铝液界面波动行为。研究结果表明: 在电解质-铝液交界面处，更换阳极之后，新极处电流密度会减小，而在紧挨着新极的左右两侧，电流密度会明显增大，该现象在更换角落处的阳极时更加明显;在更换阳极的区域及其周围，换极前较大的磁感应强度会减小，换极前较小的磁感应强度会增大，最终使得在新极处的分布更加均匀，且更换角落处的阳极影响范围更大;更换阳极会使熔体内电磁力的最大值明显增大，且更换出电侧阳极增长的更多，电磁力的增长主要集中在紧挨着新阳极的两侧，而在新极处的电磁力反而会明显减小;电解槽内的流场呈现出一定的周期性，可以分为漩涡的生成和融合两个过程，生成过程中，漩涡不断发展长大，熔体内的最大速度和平均速度都开始增加，发生融合前，两个漩涡逐渐靠近的过程中，速度变化不大，直到开始发生融合时，速度会明显降低，更换阳极之后，根据新极位置的不同，对流场的影响也不同，更换电解槽中间位置的阳极时会加快漩涡的融合过程，更换其他位置的阳极会减缓甚至不会发生融合过程;更换阳极后会明显增大熔体内的扰动，界面高度也有明显升高且集中在电解槽的出铝端和烟道端，更换进电侧阳极时的界面波动高度要大于更换出电侧时的情况。
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