能源是人类社会发展进步的必备要素。伴随着社会经济的快速发展,开发并使用清洁、可再生能源,如:风能、潮汐能、太阳能及生物质能等,已逐渐成为各国研究的主题。但是,这些清洁、可再生能源存在“靠天吃饭”的特性,在将其用于发电时,无法为用户提供稳定的电能。因此,开发并使用大型廉价电能存储装置以消除这些新能源产出电能的波动性及平衡电能产出与消耗,就成为当务之急。当前,液态金属电池已作为一种潜在、廉价的大型电能储存装置而成为研究热点之一。液态金属电池是一种内部仅包含三层互不相溶的流体,且仅靠流体密度而自动分层的电能存储装置。由于液态金属电池的特殊构成,使其相比传统固态电池而言,拥有长循环寿命、高能量效率及快充、放电速度等优点。但是,截止目前,液态金属电池尚未被推广并商用的主要原因之一,是其内部易发生不同形式的流动不稳定性,引发电池内部短路。本文的主要研究内容由以下两部分组成:1)本文采用实验、数值模拟和理论分析相结合的方法,研究了液态金属电池负极内电涡流的产生、发展及流动特性。之所以将该部分独立出来,是因为电涡流本身不应该被视为一种磁流体流动不稳定性。相反具有一定流动强度的电涡流可以提高液态金属电池内部的质量输运,进而抑制电池快速放电时在其电解质与正极液态合金交界面附近金属间化合物的生成。实验研究发现,与实验装置在未通电时相比,当施加电流为80A时,流体区域内环境磁场的z向分量约增强了 10 μT,且EVF的流动状态已转捩为湍流。通过与实验数据对比,验证了本文所开发的程序及相关条件设定。文中通过数值模拟方法研究了焦耳热对于电涡流流动特性的影响,并通过分别对比不同外加磁场强度时液态金属时间平均速度分布、瞬时速度场的螺旋度及时间平均的周向速度定量揭示了外加磁场对流场结构的影响。研究发现,在液态金属电池负极内,焦耳热对于电涡流的流动特性影响较小,但环境磁场的z向分量（竖直方向）bz可以彻底改变液态金属的流场结构,即,由于该分量的存在,使得原始普通射流演变成了旋转射流,致使射流区周边静止区域被形成的旋转射流激励而卷起;流动状态由层流转捩为湍流:射流区开始围绕容器中心轴线无规则摆动:射流区尾部区域出现分支且其形状及位置随时间变化;射流区的长度逐渐被压缩且射流方向也逐渐偏离容器的中心轴线等。2)采用数值模拟和理论分析相结合的方法研究了液态金属电池内的磁流体流动不稳定性。液态金属电池内的流动不稳定性根据诱因可分为很多种,如:因充、放电电流与其自感磁场相互作用而产生的泰勒不稳定性及界面晃动不稳定性、因温度梯度而引起的Rayleigh-Bénard不稳定性及因表面张力不同而引发的Marangoni不稳定性等,并且电池内发生流动不稳定性的几率与其体积成正比。换言之,电池体积越大越容易发生流动不稳定性。但是,电池体积越大,单位电能的储存成本越低,经济性更好,更适合大规模储能的应用。本文基于对液态金属电池内磁流体流动不稳定性发生原因的分析,提出了一种以金属板或网为骨架,采用陶瓷材料制成的栅格结构,并在OpenFOAM平台上通过数值模拟方法验证了栅格结构对于磁流体流动不稳定性的抑制效果。研究发现,在液态金属电池内置入栅格结构后,发生磁流体流动不稳定性时的临界电压被大幅提高了,这也意味着液态金属电池的工作稳定性被大幅提高了。综上所述,本文采用实验、数值模拟和理论分析相结合的方法,研究了液态金属电池负极中电涡流的流动特性,揭示了环境磁场纵向分量对电涡流的影响规律,发现了在周向洛伦兹力作用下普通射流演变为旋转射流,并定性和定量分析了旋转射流的旋转特性及其机理。本文在OpenFOAM平台上开发了一套用于求解多种互不相溶流体内电场、磁场、流场的求解器,数值研究了由三层流体构成的液态金属电池内的磁流体流动不稳定性,提出了一种特殊的栅格结构,并验证了栅格结构对液态金属电池中磁流体流动不稳定性的抑制效果。