隔膜钠电解槽流场分布的模拟计算

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1、doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2013.09.008隔膜钠电解槽流场分布的模拟计算刘中兴，何金辉，伍永福，董云芳，李阳(内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古包头014010)摘要：通过CFD软件建立相应的数学模型，首次利用数值方法对隔膜加入钠电解槽内流场的分布情况进行模拟计算。结果表明，数值模拟计算得到了隔膜钠电解槽内的流场分布图，可以为先进制钠电解槽的优化改良提供理论依据。关键词：隔膜钠电解槽；流场；模拟计算；CFD中图分类号：TF826+.2文献标志码：A文章编号：1007-7545（2013）09-0000-00Simulatio

2、nCalculationofFlowFieldforDiaphragmSodiumElectrolyzerLIUZhong-xing,HEJin-hui,WUYong-fu,DONGYun-fang,LIYang(SchoolofEnergyandEnvironmentalEngineering,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,InnerMongolia,China)Abstract：AmathematicalmodelwasestablishedwithCFDsoftware.

3、Theinternalflowfielddistributionindiaphragmsodiumelectrolyzerwassimulatedbynumericalsimulationforthefirsttime.Theresultsshowthatsimulatedbynumericalsimulation,theflowfielddistributionindiaphragmsodiumelectrolyzercanprovidethetheoreticalbasisforoptimizationofadvancedsodiumelectrolyzer.

4、Keywords:diaphragmsodiumelectrolyzer;flowfield;simulationcalculation;CFD盐法电解是目前工业上生产金属钠的主流技术[1]。先进的制钠技术国如美国、法国等采用卡斯特钠法和东斯法工业熔盐电解槽，然而其内部结构、工艺条件及相关设计理论依据在文献资料中均未公开[2-4]。虽然现在我国的制钠技术有了长足发展，但与先进国家的差距仍非常大，严重制约着我国制钠产业及相关工业的发展。由于熔盐电解耗能高，如何降低能耗、提高电流效率，成为电解行业的重要研究课题之一，其中改善电解槽内的流场是降低能耗、提高电流效率的重要

5、途径之一[5-10]。电解槽内的熔体流动，对电解效率的影响很大。电解质流动主要是由于阳极表面生成的气泡和阴极表面生成的钠液滴上浮造成的[7-10]。本文首次采用数值方法，利用CFD软件对隔膜放在电解槽阴阳极中间的流场分布进行模拟计算，得到相应的流场分布情况，为研发先进的制钠电解槽提供相关的理论依据。1数学模型1.1钠电解槽几何模型本文以40kA制钠电解槽为模拟计算的实际几何原型[2-4,11-12]。阴阳极都是相互嵌套的轴对称的圆环柱体，共4组，均匀分布在电解槽内，其中隔膜位于阴阳极中间[11]。为简化模拟计算，取槽体的1/4为研究对象。1.2基本假设1）没有气泡

6、因碰撞发生的聚并和破碎；2）气泡没有旋转；3）忽略升力产生的影响；4）生成气泡尺寸均匀，都为球形；5）不考虑气泡上升的影响；6）忽略气泡间的相互作用；7）忽略虚拟质量力。1.3边界条件1)给定入口流速；2)出口压力为标准大气压；3)近壁面采用标准壁面函数，固体壁面采用无滑移边界；4)对称面上变量的梯度为零。1.4数学控制方程隔膜钠电解槽内部分为隔膜部分的多孔介质区域和非隔膜部分的自由流动区域[13]。自由流动区域采用标准的湍流模型[13-16]，而多孔介质区域采用修正的湍流模型[17-21](即多孔介质模型)。该模型通过在动量方程中增加源项来模拟计算域中的多孔介质

7、材料对流体的流动阻力。源项由Darcy黏性阻力项和惯性损失项组成：（i=1，2，3）式中D和C分别是黏性阻力和惯性损失系数矩阵。收稿日期：2013-03-07基金项目：国家自然科学基金资助项目（51164025，51064020）；内蒙古自然科学基金项目（2011MS0703）作者简介：刘中兴（1963-），男，河北赵县人，博士，教授.2模拟结果及分析2.1气泡流动分布的研究图1和图2分别为气泡的流动云图和矢量图。图1气泡的流动云图Fig.1Flowcontourofbubbles(a)-上部放大图（b)-下部放大图图2气泡的流动矢量图Fig.2Flowvecto

8、rdiag