铝电解槽的高能耗和低能量利用率与节能和环境保护等全球性问题相冲突，寻求铝电解工业在低能耗下的运行方式成为铝电解行业科技的发展方向。改进传统铝电解槽的工艺和结构进而在保证高电流效率的基础上降低槽电压成为铝电解节能技术发展的主要途径。阳极结构的改变对铝电解槽结构的影响较小，但是过电压和气泡压降很大，因此开展针对铝电解阳极结构的改进研究具有重要意义。　　 本文针对本科研团队提出的铝电解穿孔结构新型阳极进行了研究。通过数值仿真和工业试验相结合的方法，建立了一套穿孔阳极多物理场耦合模型，从理论上揭示了穿孔阳极的节能原理。计算了不同的电解工艺和相关结构参数对穿孔阳极多物理场的影响，在分析其变化规律的基础上提出了穿孔阳极结构最优参数，并进行了现场工业试验与应用研究。本文的主要研究成果如下:　　 (1)基于铝电解槽极距区三分层理论，建立了穿孔阳极多物理场耦合模型。计算结果与工业试验结果相符，可借鉴此模型对铝电解槽阳极进行更为有效的结构改进和优化。　　 (2)引入多孔介质模型研究了穿孔结构下气泡的运动。结果表明穿孔阳极底掌下气泡扰动层厚度为1.28cm，相比普通阳极减薄了0.69cm，对应槽电压降低了0.22V。气泡分别从孔中和阳极边部逸出，气泡逸出频率为0.8Hz，流场的最大速度为0.33m/s，炭块底部流体向穿孔处和阳极边部运动。　　 (3)穿孔阳极结构和相关工艺参数对流场的影响。计算结果表明低温电解更有益于气泡的逸出，电流强度不宜过大，同时极距压缩到4cm以下，阳极宽度保持在450mm至500mm以内是比较合适的。　　 (4)提出了一种通过不断迭代计算接触电阻，更精确地建立穿孔阳极电-热-应力耦合场的模型。计算结果表明:炭块下部同一水平面上穿孔处温度最高，但是在炭块表面穿孔处温度最低，只有704.4℃。穿孔阳极电压分布与普通阳极基本一致，铁碳接触电阻为99.26mV，计算接触电阻为5.96×10-5Ω。等效热应力集中在炭块和磷生铁的接触部分以及穿孔周围，最大值为17.4MPa，小于炭块的许用应力30MPa。　　 (5)研究了穿孔阳极热应力的分布及变化规律，并结合流场的变化规律，得到穿孔阳极的结构最优参数。穿孔阳极主要受到拉应力作用，膨胀后呈现微弓字型，并且Z方向热应力大于Y方向和X方向热应力。结构最优参数为阳极宽度520mm、高度600mm、碳碗深度110mm、碳碗半径87.5mm、穿孔半径20mm。　　 (6)试验团队研制出性能达标的工业用穿孔结构阳极，并经过两年两轮的工业试验，解决了试验槽热平衡失衡，阳极效应系数过高的问题，取得了相比传统阳极电解槽降低槽电压0.2V、提高电流效率0.3％，直流电耗降低了594kWh/t-Al，平均直流电耗达到了12337kWh/t-Al的节能效果。