稀土钕电解过程中电气泡多尺度运动行为的实验与数值模拟研究

针对稀土钕电解过程中非均匀多尺度气泡演化导致的阳极效应与金属二次反应问题，研究人员通过CuSO4水溶液电解实验与三维瞬态数学模型（结合DPM-VOF方法与离散-连续过渡模型DCTM），揭示了气泡从微分散到宏观连续的跨尺度演化机制，发现阳极倾斜高度与电流对气泡动力学的影响规律，为优化工业电解工艺提供理论依据。

　　

在高温密闭的稀土钕电解工业环境中，气泡的非均匀演化如同“隐形杀手”——它们既能通过磁流体动力学(MHD)效应稳定电解槽流动，又可能因过度积聚引发阳极效应，或加速金属二次反应导致产量下降。传统研究受限于极端工况难以观测，而现有数值模型（如单一VOF或DPM方法）难以兼顾微米级气泡轨迹追踪与宏观形变解析。这一矛盾使得多尺度气泡群的运动机制成为制约电解工艺优化的关键瓶颈。

东北大学（原文第一作者单位National Natural Science Foundation of China资助项目）的研究团队独辟蹊径，构建了CuSO₄水溶液电解实验平台与三维瞬态数学模型，创新性地提出离散-连续过渡模型(DCTM)，首次实现从离散相模型(DPM)到流体体积法(VOF)的无缝衔接。该研究通过用户自定义函数(UDF)引入非均匀电流相关的异质气泡成核机制，在《Powder Technology》发表的成果中，不仅验证了气泡覆盖率与厚度的实验-模拟一致性，更揭示了电流强度与阳极几何对气泡动力学的精确调控规律。

关键技术方法包括：1）实验室尺度电解系统动态相似性设计；2）DPM-VOF耦合模型结合自适应网格细化(AMR)；3）UDF实现离散气泡向连续相的跨尺度转换；4）基于法拉第定律的电流-气泡成核关联算法。

阳极底部的气泡演化
实验显示，电流从5A增至15A时，气泡直径显著增大但数量减少，这与模拟中非均匀电流分布导致的成核位点减少现象吻合。数值模型成功捕捉到阳极底部倾斜高度从0mm增至2mm时，最大气泡直径由4mm锐减至1mm的关键阈值。

跨尺度动力学特征
DCTM模型首次量化了气泡速度梯度：阳极筒内侧表面气泡最大速度（0.618-0.93m/s）始终高于外侧（0.27-0.46m/s），且随电流增强呈线性增长。这种空间异质性源于阳极插入结构导致的电流密度分布不均。

覆盖率的动态调控
大电流使气泡覆盖率增长率提升300%，而适当增加阳极底部倾斜高度可促进气泡脱离，将覆盖厚度控制在1mm以下，这一发现为工业电解槽的阳极设计提供了精确参数。

该研究通过实验-模拟闭环验证，建立了多尺度气泡动力学与电解工艺参数的定量关系。提出的DCTM模型突破了传统方法在微米-毫米尺度模拟的局限性，其UDF实现策略为复杂工业过程的数值仿真提供了普适性框架。研究结果不仅解释了稀土电解中气泡诱导的能耗突变现象，更为通过阳极几何优化抑制阳极效应提供了直接理论支撑，对实现绿色高效稀土冶炼具有重要工程指导价值。