Hall-Heroult铝电解过程在过去的几十年内经历了诸多改进和巨大进步。目前,大型铝电解槽的容量已发展到600 kA,但铝电解槽吨铝电能消耗降低有限,大多数直流电耗仍在13.2 kWh/kg-Al左右,能量效率低于50%。铝电解工作者致力于降低能耗和成本的研究,以增加铝电解槽产出和效率。一种可行的方法为改进阴极的结构,提高铝液面稳定性,以实现降低电耗的目的。本文以300 kA级铝电解槽为研究对象,以有限元软件ANSYS为平台,进行物理场模拟计算,与传统阴极电解槽比较,分析矩形凸起、方柱凸起、圆柱凸起和坡面阴极等几种典型阴极结构对物理场的影响,并提出优化方案。研究表明传统水平阴极电解槽中,铝液中电流密度在纵向y轴方向分布相对均匀。新型阴极电解槽中,电流遇到电阻率较大的凸起,绕过凸起流入两侧的沟槽,导致纵向y轴方向矩形凸起之间的沟槽内电流密度大于凸起上方的电流密度。方柱凸起和圆柱凸起之间的沟槽内铝液电流密度亦大于凸起上方的铝液电流密度。磁场的计算采用精度较高的三维棱边单元法,考虑铁磁区的影响。磁场主要由外部母线设计决定,因此新型阴极电解槽和传统水平阴极电解槽的铝液磁场分布规律相同,且不同阴极对磁场影响不大。Bx沿槽中心长度y方向大致呈反对称分布,极值出现在电解槽角部。By沿槽中心宽度x方向反对称,极值位于大面靠近母线处。Bz沿槽中心长度y方向大致呈反对称分布,极值位于电解槽出电端两个角部。流场分布采用SST k-ω湍流模型进行计算,此湍流模型不仅可计算湍流充分发展区域,更能精确的计算近壁面分离流动,适用于分析凸起结构周围的铝液流动情况。水平阴极电解槽内不同铝液层流动形式均为两个关于横向中心对称的大涡,新型阴极电解槽凸起上部的铝液流动形式与水平阴极槽一致,铝液下部由于凸起的阻挡,两个大涡结构被打破,凸起之间形成小的涡旋,流速比水平阴极铝液底部更均匀。矩形阴极结构计算的铝液流速最大,方柱凸起阴极、圆柱凸起阴极结构对应的最大铝液流速和最大电解质-铝液界面变形依次降低。工业试验结果表明矩形凸起、方柱凸起、圆柱凸起阴极结构可有效降低铝电解槽能耗。此外,设计并试验的300 kA坡面阴极结构铝电解槽17个月的平均直流电耗为12.724 kWh/kg-Al,比传统水平阴极电解槽平均直流电耗（13.2 kWh/kg-Al）低0.476 kWh/kg-Al。结合新型阴极结构铝电解槽生产实际,耦合流场和热场,协同考虑侧部结壳厚度和伸腿长度,计算不同铝水平的铝液流场分布,分析铝水平对铝液流动的影响规律,得出合理的铝水平值。电解槽电热应力的计算考虑钠膨胀的影响,将钠膨胀系数转化为相应的热膨胀系数进行加载。由于钠膨胀和热膨胀应力,阴极炭块向四周及炭块上部膨胀移动,由于四周受槽壳的限制,传统水平阴极电解槽和新型阴极电解槽阴极向上变形隆起,启动30天后电解槽中心阴极炭块向上隆起值最大。大面槽壳中心向外最大位移量略大于小面槽壳中心向外最大位移量,位移量均小于炭块中心的位移量。由于电解槽槽壳角部相对固定,传统电解槽和新型槽端部阴极炭块角部均存在应力集中,超过了阴极炭块机械强度。钢棒槽附近应力值也相对较大。电解槽槽壳的等效应变最大值均低于0.16%,未超过屈服极限0.2%,槽壳在目前的载荷条件下仍然处于弹性阶段。对于350 kA铝电解槽,采用传统阴极、单块阴极7个方柱凸起型阴极、双排10个圆柱凸起、双排12个圆柱凸起阴极时,计算得到的最大铝液流速值依次减小,最大铝液流速和方向与工业测试结果基本一致。根据阻力系数的差异提出将工业试验节能效果最好的圆柱凸起阴极结构改为方柱凸起,同样布置的单阴极双排12圆柱（直径22 cm,高度15 cm）和12方柱（边长22 cm,高度15 cm）,计算的铝液最大流速分别为12.4 cm·s-1和9.6 cm·s-1,电解质-铝液界面变形最大值分别为1.6 cm和1.4 cm,因方柱的阻力系数大,方柱减流效果更明显。