铝电解槽是工业生产铝的核心设备,其多物理场分布状况显著影响生产的各项技术经济指标。目前,铝电解槽正向大容量、节能型方向快速发展,已有电解槽物理场建模研究方法已难以应对技术发展的需求。本文针对传统铝电解槽物理场模型在理论及适用性上的缺陷,开展系统的可适用于大容量节能铝电解槽的多物理场耦合建模研究,并以所建模型为基础,开展槽结构优化理论研究,进而为大容量节能铝电解槽及其运转技术的开发提供必要的理论基础与技术支持。本文的主要研究内容与成果如下：(1)建立了适用于大容量节能铝电解槽的三维瞬态三相(铝液-电解质-阳极气泡)磁流体模型,结合实际算例对多种磁流体模型进行了对比,证明了忽略阳极气泡相建模或基于稳态假设建模均可导致计算结果缺失重要信息；同时,基于瞬态三相磁流体研究获悉了阳极气泡相对磁流体行为的重要影响：阳极气泡相显著改变电解质流场,并通过铝液-电解质相间作用力间接削弱铝液中由电磁力引起的环流,气泡使铝液-电解质界面上呈现出阳极底面投影,并改变在电磁力与重力共同作用下的界面扰动行为,使长周期界面波动不再显著,转而呈现一种相对高频的扰动。(2)建立了一种大容量铝电解槽电-热场强耦合模型,结合实际算例指出,不预设熔体温度是电场和热场实现完全耦合的前提,而在耦合模型中全面引入并准确描述各热源大小及分布(包括产热源和吸热源)是电-热场计算获得可靠结果的关键。(3)提出应采用界面更新理论描述铝液-电解质界面附近的传质行为,以界面上湍动能耗散率大小及分布为关键指标,建立了关联熔体运动的铝电解槽电流效率全域计算模型,并将该模型有效应用于大容量铝电解槽的全槽与局部电流效率分析。(4)应用三维瞬态三相磁流体模型和电流效率模型对采用不同阴极结构的同一型号大容量槽的磁流体行为及对应电流效率进行了分析,结果表明,相较于采用普通阴极,在该槽上采用本文设定的异形阴极方案、新型导电结构阴极方案与高导电阴极钢棒方案均使该槽的铝液、电解质流速在不同程度上下降,其中,异形阴极方案下电解质流速降幅偏大,对氧化铝在电解质中的分散不利；三种方案均使该槽的铝液-电解质界面扰动有所减小,异形阴极方案在减少界面上大变形区域方面显现出一定作用,另两种方案的降界面扰动效果与两者的降铝液水平电流效果成正比；异形阴极方案使该槽电流效率略有下降,另两种方案未使电流效率发生明显变化。(5)采用电解质-气泡流动模型对不同结构阳极在促进阳极气泡排放方面的效果进行了计算,建立基于二次电流分布的电场-阳极消耗瞬态模型对不同结构阳极在电解过程中的形状及电流密度分布的演变进行了分析,结果表明,采用倒角阳极、倾斜底面阳极与开槽阳极均有助于降低电解质中的气泡含量,其中,开槽阳极效果相对最为显著,倒角阳极次之,开槽位置、预加工倒角大小、倾斜底面坡度均对促排气效果有影响；相较于普通阳极,倒角阳极、倾斜底面阳极经反应到达稳定形状所需时间更短,预加工倒角或倾斜底面可在一定程度上提高电解初期阳极电流分布均匀性。