異型陰極不同尺寸的凹槽對鋁液阻力損失的影響

王瑞雪

(貴陽鋁鎂設計研究院股份公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

異型陰極鋁電解槽被提出以來，實踐表明，其在鋁電解槽節能方面具有優異的潛力。異型陰極鋁槽節電的實質是由于異型陰極的阻流作用，使鋁液波動減小，從而可以降低極距和槽電壓，進而減少輸入電能，達到節能電的目的。為了了解不同尺寸“溝”對鋁液流經后阻力損失大小的影響，通過建立物理模型并用fluent模擬，通過后處理得出結果，比較分析得出結論。

1 二維管內湍流計算方法

對鋁電解槽的流場的計算，國內外學者采用了多種數學模型，但大都采用求解k-ε二方程紊流模型來求解Navier-Stokes方程。

由湍流運動的特點結合物理模型，可以容易得到管內湍流的運動基本方程：

(2)動量方程

1.1 問題描述

為了了解不同尺寸凹槽對阻力損失大小的影響，建立簡化的模型進行模擬對比。簡化的模型如下：950 ℃的鋁液流經二維通道，形狀見圖1，尺寸及入口速度見表1。試應用數值計算方法求解鋁液流經二維通道時的流速分布和靜壓分布，并獲得流經300 cm時的阻力損失。

圖1 溝形狀Fig.1 Shape of the grooves

表1 不同凹槽的尺寸及入口速度Tab.1 Sizes and inlet speeds of different grooves

1.2 物性參數

查相關文獻知鋁液的物性參數如下：

λ=59.9+0.03T

ρ=2 613-0.262T

代入溫度T=950+273.15=1 223 K計算得：λ=96.594 5w/m·K，ρ=2 292.56kg/m3，μ=0.75 546×10-3kg/m·s，比熱取推薦值Cp=1 181J/kg·K。

查相關文獻知電解質物性參數如下：

λ=0.045 4w/m·K，ρ=2 050kg/m3，μ=0.003kg/m·s，比熱取推薦值Cp=1 760J/kg·K。

1.3 湍流強度

代入數據得I=0.051=5.1 %；

2 二維管內湍流計算模型

我們對凹槽內的流場計算進行一定的簡化后，得出的計算模型如下所示：

2.1 物理模型

利用gambit建模，見圖2。

在gambit里面建立模型，考慮進出口情況，將進出口適當延長1～2 m；

分別取步長0.005 m、0.01 m劃分網格。

指定邊界條件類型，通道入口為velocity inlet，出口為outflow，交界面為interface，電解質表面邊界條件設為wall，其他邊界保持默認的wall；

指定區域流體類型，區域1為鋁液，區域2為電解質。

輸出mesh網格文件。

圖2 網格劃分Fig.2 Grid division

2.2 數學模型

利用fluent進行仿真計算

由于所計算的二維通道流動問題，故選擇二維單精度求解器即可滿足要求；

導入網格文件并檢查，沒有出現負體積，且計算域大小符合所要進行分析的計算域尺寸，故無需重新劃分網格，可以直接用于計算；

選擇計算模型，選多相流VOF模型，由前面的計算可知，從通道入口到出口，即全流場都是高雷諾數的湍流流動，且由于模型有較高的穩定性、經濟性和計算精度，適合于高雷諾數湍流，故粘性模型使用雙方程模型；

對于操作環境，考慮重力的影響，設置Y=-9.81；

定義流體的物理性質，代入950 ℃鋁液和電解質的物性參數；

設置邊界條件，代入入口速度值v m/s，其他均采用默認邊界條件；

設置求解參數，求解flow和turbulence方程，由于本題使用的是結構化網格，精度要求相對較低，故選擇一階迎風格式；

選擇compute form為inlet對流場進行初始化；

打開殘差監控，設置殘差收斂標準為0.000 001，迭代2 000次計算。

3 計算結果與分析

3.1 不同情況下的速度分布和壓力分布

為了解鋁電解槽內部流動情況，取較穩定區域(取截面x=1.8 m和x=2.7 m之間的區域)，速度分布和壓力分布詳見圖3-10。

圖3 情況1下的速度分布Fig.3 Speed distribution in condition 1

圖4 情況1下的靜壓分布Fig.4 Hydrostatic pressure distribution in condition 1

圖5 情況2下的速度分布Fig.5 Speed distribution in condition 1

圖6 情況2下的靜壓分布Fig.6 Hydrostatic pressure distribution in condition 2

圖7 情況3下的速度分布Fig.7 Speed distribution in condition 3

圖8 情況3下的靜壓分布Fig.8 Hydrostatic pressure distribution in condition 3

圖9 情況4下的速度分布Fig.9 Speed distribution in condition 4

圖10 情況4下的靜壓分布Fig.10 Hydrostatic pressure distribution in condition 4

3.2 不同情況下截面x=1.8 m的速度分布

不同情況下截面的速度分布詳見圖11。

圖11 不同情況下截面x=1.8 m處的速度分布圖

3.3 結果分析

取3 m計算結果，其中x=2.7 m處為截面1，x=3.6 m為截面2，用求解器求得平均壓力列于表2。

表2 不同情況下截面1和截面2的平均壓力/PaTab.2 Average pressure of section 1 and 2 in different conditions/Pa

通過比較分析得知：情況4下的阻力損失最大。由于阻力越大，鋁液的流動越小，越穩定，故可知工況4的設計最符合工程要求。

4 結 語

(1)通過建立凸臺凹槽二維通道的物理模型，利用FLUENT軟件很好的模擬了通道中的流動情況，從仿真結果來看模擬結果較好地驗證了管內流動發展的真實情況。

(2)通過比較4種不同的物理模型發現，在鋁液高度一定的情況下，凹槽尺寸為30×8 cm時，阻力損失最大，由于阻力越大，鋁液流動也越小，越穩定，故凹槽應采用這種物理模型較好。

(3)在fluent中將進口設置為速度進口，而在實際情況下是鋁液受電磁力作用而運動，從而引起電解質運動，在fluent中采用給定速度來模擬可能存在一定的問題，還應進一步改進，才能得到更精確的結果和更準確的結論。