基于电磁场和多相湍流场的双向耦合强电流镁电解槽内多物理场耦合特性基础研究

The effects of electromagnetic field can't be ignored in a magnesium electrolysis cell of high current because of magnetohydrodynamics. Meanwhile, the new distribution of ions will change the distribution of magnetic field due to movement of turbulent multi-phases. For electrochemical process of magnesium under high current, coupling mechanism between electromagnetic field and multi-phase turbulent field is studied. Mathematical model of interactional coupling between electromagnetic field and multi-phase turbulent field will be built. The numerical simulation will be used to solve the coupling model. The principles of turbulence for multi-phase magnetohydrodynamics will be understanded by Reynolds-averaged Navier-Stokes equations and large eddy simulation. Data of different cold models will be obtained by Volumetric 3-Component Velocimetry System and similarity principles. Then, considering the data from industry, the rulers of scaling and mechanism of interactional coupling model will be got in multi-dimensions. The theoretical base can be made by the results of this project for designing high current and low energy consumption cell of magnesium electrolysis.

由于磁流体效应，高电流强度的电解槽内电磁场作用不可忽视，同时大型电解槽内部多相湍流流场分布引起电荷重新分布会反作用于电磁场。针对强电流镁电解电化学过程，本项目拟研究电磁场和多相湍流流场的双向耦合机理：建立基于电磁场和多相湍流流场双向耦合的数学模型，采用数值计算模拟的方法进行物理场的耦合计算；利用雷诺时均湍流模型和大涡模拟研究多相磁流体湍流运动规律；运用相似原理及三维流场的示踪测定方法，得到不同规模冷模实验的流场数据，再结合工业运行数据，完善描述双向耦合多维模型和电化学反应器放大规律；为设计大电流、低能耗镁电解槽奠定理论基础。

镁是最轻的结构金属材料，具有高比强度、高比刚度、高阻尼减震性以及良好电磁屏蔽等多项优异性能，被广泛应用于航空航天、汽车以及电子通信领域。中国作为全球最大的金属镁生产国，镁行业结构调整势在必行，发展低能耗、先进镁电解技术是必由之路。我国由于长期缺乏基础理论研究和技术开发，电解镁工业与国际水平差距巨大。究其原因是对高电流强度大型镁电解槽内多物理场的相互耦合作用及其对电化学过程的影响缺乏研究，所知甚少。项目利用有限元方法，将电解槽内部电场、热场、磁场和流场进行双向耦合研究，建立了大型镁电解槽多物理场耦合计算模型，为电、热、磁、流多物理场的耦合研究提供了理论指导。计算得到了镁电解槽热平衡的关键因素，发现电解质液面的高度能影响电解槽的散热能力，进而改变其能量平衡，对生产实践有积极的指导意义。使用激光粒子成像测速仪（PIV）和体三维速度场仪（V3V）分别对冷模实验的二维和三维流场分布进行测量，并将结果与欧拉-欧拉气液两相模型结果进行对比，二者吻合良好，验证了流体计算模型的准确性，实现了三维湍流流场的无接触测量和准确分析。基于验证后的电热、流场和电磁计算模型，建立一个包含电、磁、热、流四个物理场相互耦合的数学模型，充分考虑四个物理场相互作用的影响，得到了电解质的循环规律和洛伦兹力分布。同时，基于电-热-磁-流耦合模型，对镁珠的运动情况进行仿真，在改变电解槽结构和工艺参数后发现现有槽结构金属镁的一次分离率较低。根据电解槽中电解质的流动规律，提出了双面空心阴极、阴极组结构和上插阴极三种新型槽结构，大大提高了镁珠的一次分离率，实现高电流强度的电解槽的放大，为电解槽的设计提供指导依据。