铝电解(Aluminum electrolysis)是高耗能、高污染的工业之一。整个生产过程中,消耗大量的电能,不利于铝电解工业的可持续发展,降低铝电解过程中的能源消耗已成为当前行业的主要发展趋势。因此,研究节能型铝电解槽具有重要意义。本文根据铝电解生产的工作原理,基于有限体积法,首先对300kA传统阳极铝电解槽和节能型开槽阳极铝电解槽建立三维非稳数学模型,采用流体体积函数(VOF)法追踪电解质-铝液界面的流动,引入磁动力流体模型(MHD)计算电磁场,通过用户自定义函数(UDF)编译,给界面波动提供了一个驱动力,把电磁力和表面张力作为动量方程的源项,用离散相模型(DPM)模拟气泡的运动情况,对传统阳极和开槽阳极铝电解槽中电解质、铝液和气泡进行了电-磁-流三场的数值计算。对比分析了开槽阳极对电解铝槽中电解质-铝液界面波动幅度、气泡去除率和气泡层厚度的影响。其次建立铝电解槽电-磁-热-流四场非稳态数学模型,采用MHD中的电势法计算电磁场,用VOF方法追踪电解质-铝液的界面流动,并且把洛伦兹力和表面张力作为动量方程的源项,焦耳热和作为能量方程的原项,熔融态电解质的相变通过热焓法来建模,糊状区被认为是孔隙率等于体积分数的多孔疏松介质,分析开槽阳极对铝电解槽内的电势分布、焦耳热与界面波动、温度场和凝固层分布的影响。通过对电解质、铝液、气泡多相流磁流体流动与传热的数值计算,探究出影响铝电解过程稳定性的因素,同时找出相关规律,优化生产工艺,实现铝电解槽节能降耗。计算结果表明,开槽阳极铝电解槽下的电解质-铝液界面波动幅度小于传统阳极铝电解槽电解质-铝液界面波动幅度,开槽阳极能够减小气泡对电解质-铝液交界面的波动影响,使气泡更容易排出,有利于缩短极距。电解质-铝液界面波动幅度也会随着气泡尺寸的增大而增大。传统阳极铝电解槽阳极底部的气体主要集中在阳极底部中心区域,开槽阳极底部中心区域没有明显的气泡聚积情况,气泡分布均匀。开槽阳极底部气体体积分数小于传统阳极底部气体体积分数,开槽阳极有利于气泡的排出,改善气泡在阳极底部中心区域的聚积情况,增大了阳极底部与电解质区域的接触面积,有利于极间导电性。开槽阳极铝电解槽的气体释放率大于传统铝电解槽的气体释放率,传统阳极结构铝电解槽的气泡层厚度约为20mm;开槽阳极结构铝电解槽的气泡层厚度约为16.5mm,开槽阳极结构铝电解槽的气泡层厚度比传统阳极结构铝电解槽气泡层厚度减小了3.5mm,开槽阳极有利于减小阳极底部的气泡层厚度,减小电解质中气泡含量及阳极底掌的气泡覆盖率,促进气体的排放。传统阳极铝电解槽整体槽压降为2.294 V,开槽阳极铝电解槽整体槽压降为2.170 V。开槽阳极铝电解槽的整体压降比传统阳极铝电解槽的整体压降小0.124 V,两种铝电解槽在电解质-铝液层区域产生的电压降值相差较大,主要是因为开槽阳极底部气泡层厚度小于传统阳极底部气泡层厚度,减小气泡在铝电解槽内产生的压降,降低能耗。开槽阳极和传统阳极铝电解槽中的电流密度分布相似,垂直电流为主要电流方向,水平电流绝对值小于垂直方向电流绝对值。开槽阳极有利于减小X、Y方向上水平电流密度,增大Z方向上的垂直电流密度。电解槽四周温度较低,中心处的温度较高,传统阳极铝电解槽中最高温度为1226K,开槽阳极铝电解槽中最高温度为1224K。传统阳极与开槽阳极下的温度分布相似,开槽阳极下的温度分布更加均匀。开槽阳极下的凝固层形态与传统阳极下的凝固层分布形态相似,且沿长轴X的电解槽凝固层厚度大于沿短轴Y的凝固层厚度。传统阳极铝电解槽沿X方向的凝固层厚度范围是110mm～180mm,沿Y方向的凝固层厚度为180mm～260mm;开槽阳极铝电解槽沿X方向的凝固层厚度范围是90mm～155mm,沿Y方向的凝固层厚度为145mm～200mm。