磁场中两层流体的Marangoni对流传质特性研究

受界面张力梯度的影响，冶金中多层高温熔体之间会出现Marangoni对流传质现象，这对冶金过程的稳定性造成危害。本项目以磁场下铝电解两层流体的Marangoni对流传质特性为研究对象，试图探讨出两层流体Marangoni对流和洛仑磁力对流的耦合作用机理、不同条件下两层带电流体的Marangoni对流的稳定性、抑制Marangoni对流强度的合理外力分布等对流传质现象。拟采用电磁模型和Marangoni对流模型的循环耦合方法对洛仑磁力和表面张力的作用机理进行研究，采用线性理论和导入相似稳定性准则相结合的方法对磁流体稳定性和Marangoni对流稳定性之间的关系进行研究，采用遗传算法对抑制Marangoni对流传质的合理外力分布进行研究。研究成果可为提高冶金过程的稳定性和加深对冶金过程的认识提供理论支持。

开发一套精度较高的能反映实际工业工程的铝电解槽内熔体流动传质模型，探索了铝液扩散机理及影响因素。本项目的主要创新点及研究成果如下：.（1）建立了铝电解槽铝液/电解质稳态两相流模型，实现了该模型下全域流场及铝液/电解质界面变形的模拟仿真。对175KA系列铝电解槽的全槽流场进行了稳态研究，结果表明，铝电解槽中的不同高度界面的流场较为一致，四个界面上的速度矢量都呈现出两个轴对称的大漩涡——左边的大漩涡是逆时针方向的，右边的则是顺时针方向；此外，在烟道端、出铝端和大面中部位置，存在大小不一的小漩涡。仿真结果与测试结果基本一致。.（2）基于槽内铝溶解损失机理分析，并结合多相流相间传质机理，建立了基于熔体流场的铝液传质输运模型，得出了铝电解槽极距区间铝液浓度分布。应用本模型分析某175KA系列工业铝电解槽的极距区间铝液溶解过程。结果表明，由于工业槽内熔体流速及湍流扩散的区域性差异，在达到饱和浓度之前，进电侧的铝液浓度比出电侧的铝液浓度低。对流扩散几乎决定了铝液的浓度分布。.（3）针对前人建立的铝电解槽流场计算模型中忽视了铝液/电解质界面表面张力的不足，建立了铝电解槽内Marangoni对流传质的数学模型，重点研究了Marangoni对流对熔体运动的影响。计算结果表明，铝电解槽中的Marangoni对流不处于主导地位，Marangoni对流驱动的熔体流速的数量级为10-3m/s，和铝电解槽内实际流速数量级10-1m/s相比可以忽略。但是Marangoni对流一定程度上增大了铝液传质系数。.（4）比较了不同磁场下的熔体流动和铝液传质。经计算发现BX 、BY、BZ对熔体流速的影响不大；但是减小BZ，将会增加铝液/电解质界面的起伏程度。不同磁场下，铝液传质系数差别明显。