異型陰極不同尺寸的凹槽對(duì)鋁液阻力損失的影響

王瑞雪

(貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)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(shí)踐表明，其在鋁電解槽節(jié)能方面具有優(yōu)異的潛力。異型陰極鋁槽節(jié)電的實(shí)質(zhì)是由于異型陰極的阻流作用，使鋁液波動(dòng)減小，從而可以降低極距和槽電壓，進(jìn)而減少輸入電能，達(dá)到節(jié)能電的目的。為了了解不同尺寸“溝”對(duì)鋁液流經(jīng)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(jié)果，比較分析得出結(jié)論。

1 二維管內(nèi)湍流計(jì)算方法

對(duì)鋁電解槽的流場(chǎng)的計(jì)算，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用了多種數(shù)學(xué)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(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)結(jié)合物理模型，可以容易得到管內(nèi)湍流的運(yùn)動(dòng)基本方程：

(2)動(dòng)量方程

1.1 問題描述

為了了解不同尺寸凹槽對(duì)阻力損失大小的影響，建立簡(jiǎn)化的模型進(jìn)行模擬對(duì)比。簡(jiǎn)化的模型如下：950 ℃的鋁液流經(jīng)二維通道，形狀見圖1，尺寸及入口速度見表1。試應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法求解鋁液流經(jīng)二維通道時(shí)的流速分布和靜壓分布，并獲得流經(jīng)300 cm時(shí)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(shù)

查相關(guān)文獻(xiàn)知鋁液的物性參數(shù)如下：

λ=59.9+0.03T

ρ=2 613-0.262T

代入溫度T=950+273.15=1 223 K計(jì)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(guān)文獻(xiàn)知電解質(zhì)物性參數(shù)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(qiáng)度

代入數(shù)據(jù)得I=0.051=5.1 %；

2 二維管內(nèi)湍流計(jì)算模型

我們對(duì)凹槽內(nèi)的流場(chǎng)計(jì)算進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化后，得出的計(jì)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(jìn)出口情況，將進(jìn)出口適當(dāng)延長(zhǎng)1～2 m；

分別取步長(zhǎng)0.005 m、0.01 m劃分網(wǎng)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(zhì)表面邊界條件設(shè)為wall，其他邊界保持默認(rèn)的wall；

指定區(qū)域流體類型，區(qū)域1為鋁液，區(qū)域2為電解質(zhì)。

輸出mesh網(wǎng)格文件。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid division

2.2 數(shù)學(xué)模型

利用fluent進(jìn)行仿真計(jì)算

由于所計(jì)算的二維通道流動(dòng)問題，故選擇二維單精度求解器即可滿足要求；

導(dǎo)入網(wǎng)格文件并檢查，沒有出現(xiàn)負(fù)體積，且計(jì)算域大小符合所要進(jìn)行分析的計(jì)算域尺寸，故無需重新劃分網(wǎng)格，可以直接用于計(jì)算；

選擇計(jì)算模型，選多相流VOF模型，由前面的計(jì)算可知，從通道入口到出口，即全流場(chǎng)都是高雷諾數(shù)的湍流流動(dòng)，且由于模型有較高的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和計(jì)算精度，適合于高雷諾數(shù)湍流，故粘性模型使用雙方程模型；

對(duì)于操作環(huán)境，考慮重力的影響，設(shè)置Y=-9.81；

定義流體的物理性質(zhì)，代入950 ℃鋁液和電解質(zhì)的物性參數(shù)；

設(shè)置邊界條件，代入入口速度值v m/s，其他均采用默認(rèn)邊界條件；

設(shè)置求解參數(shù)，求解flow和turbulence方程，由于本題使用的是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，精度要求相對(duì)較低，故選擇一階迎風(fēng)格式；

選擇compute form為inlet對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行初始化；

打開殘差監(jiān)控，設(shè)置殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.000 001，迭代2 000次計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)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(nèi)部流動(dòng)情況，取較穩(wěn)定區(qū)域(取截面x=1.8 m和x=2.7 m之間的區(qū)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(jié)果分析

取3 m計(jì)算結(jié)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(dòng)越小，越穩(wěn)定，故可知工況4的設(shè)計(jì)最符合工程要求。

4 結(jié) 語

(1)通過建立凸臺(tái)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(dòng)情況，從仿真結(jié)果來看模擬結(jié)果較好地驗(yàn)證了管內(nèi)流動(dòng)發(fā)展的真實(shí)情況。

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

(3)在fluent中將進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口，而在實(shí)際情況下是鋁液受電磁力作用而運(yùn)動(dòng)，從而引起電解質(zhì)運(yùn)動(dòng)，在fluent中采用給定速度來模擬可能存在一定的問題，還應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)，才能得到更精確的結(jié)果和更準(zhǔn)確的結(jié)論。