基于CFD的螺旋溜槽内二次环流分布特性研究

螺旋溜槽内的二次环流是固体颗粒分带进而实现分选的关键流场,深入研究二次环流分布特性有助于揭示其分选作用机制。本文采用CFD方法考察了不同数值条件对螺旋溜槽内横向流速分布的影响,确定适于螺旋溜槽中水流特性的计算方法,进而查明二次环流在螺旋溜槽内的空间分布特性。结果表明,当采用RNG k-ε湍流模型、网格划分数量为522410、底壁网格尺寸设为2 mm时,CFD模拟结果更稳定,与横向流速理论分布特性也更加吻合;随过流圈数增多和主流速度增大,流体的离心惯性力加强,二次环流由此形成并渐趋稳定,同时横向流速分界点（内外流速转向点）位置下移,上下流层分流比例改变,上部流体沿水深分布特性亦愈加稳定;二次环流形成后,随着流体质点位置外移,横向流速分界点位置亦下移,二次环流轮廓呈现内薄外厚形态,表面流体质点的最大向外速度和下部流体的最大向内速度均出现在螺旋溜槽外缘端点以内10mm左右。研究结果可为进一步研究螺旋溜槽内颗粒运动和分选行为提供参考。     

基于CFD法的螺旋溜槽内二次环流分布特性研究

螺旋溜槽内的二次环流是固体颗粒分带进而实现分选的关键流场,深入研究二次环流分布特性有助于揭示其分选作用机制。本文采用CFD法考察了不同数值条件对螺旋溜槽内横向流速分布的影响,确定适于螺旋溜槽中水流特性的计算方法,进而查明二次环流在螺旋溜槽内的空间分布特性。结果表明,当采用RNGk-ε湍流模型、网格划分数量为522 410、底壁网格尺寸设为2mm时,CFD模拟结果更稳定,与横向流速理论分布特性也更加吻合;随过流圈数增多和主流速度增大,流体的离心惯性力加强,二次环流由此形成并渐趋稳定,同时横向流速分界点(内外流速转向点)位置下移,上下流层分流比例改变,上部流体沿水深分布特性亦愈加稳定;二次环流形成后,随着流体质点位置外移,横向流速分界点位置亦下移,二次环流轮廓呈现内薄外厚形态,表面流体质点的最大向外速度和下部流体的最大向内速度均出现在螺旋溜槽外缘端点以内10mm左右。研究结果可为进一步研究螺旋溜槽内颗粒运动和分选行为提供参考。     

给料参数对螺旋溜槽内流层铺展及颗粒分离行为的影响

为了查明螺旋溜槽内流层形态及不同性质颗粒的分离行为,采用激光多普勒测速仪对螺旋溜槽内的清水流场进行测试,并考查入口水量对水层深度的影响,进一步对赤铁矿和石英进行螺旋溜槽分离试验,考查给料流量及固体质量浓度对矿浆流动和颗粒分离行为的影响。结果表明,清水在螺旋槽面中完全铺展,水深沿槽面分布呈现内中薄、外缘厚的特点,提高入口水量,水层铺展深度增大,且槽面中部及外缘处水层受到的影响更显著;矿浆均主要汇聚于螺旋溜槽外缘,提高给料浓度可使流层向槽内铺展,使中部分流比增大;提高赤铁矿的给料浓度可以削弱给料流量对流体运动的影响;在较低的给料浓度和给料流量下,石英主要在螺旋溜槽中矿带和尾矿带排出,粒度越小,石英在外缘尾矿带中的分配率越高,赤铁矿则主要集中于中矿带和精矿带,粒度越小,赤铁矿在內缘精矿带中的分配率越高,然而粒度过细会导致少量赤铁矿迁移到尾矿带中;螺旋溜槽给料条件对颗粒运动行为均有明显交互作用,在较低浓度下增加给料流量,石英颗粒因受力改变而向外缘迁移,而在高浓度下增加给料流量,则同时使流层向内汇聚及颗粒向内迁移,提高给料浓度和给料流量对赤铁矿回收具有不利影响,但在较低流量下提高给料浓度可减少赤铁矿在外缘尾矿带中的损失,在一定程度上起到提高处理量的作用。研究结果可以螺旋溜槽操作参数的选取提供依据。     

流动阻力对螺旋溜槽分选流场的影响研究

螺旋溜槽是一种应用广泛的流膜重力选矿设备,分选流体的流态对矿物的分选有着重要的影响,而流动阻力是影响流体流态和流场特征的重要因素。为了探明流动阻力对于螺旋溜槽流场特征的影响规律,本文借助CFD技术对直径为1200 mm的螺旋溜槽槽内流体流态与流动阻力之间的关系进行了研究。研究发现,随着流动阻力的减小,内缘流膜厚度呈减小趋势而外缘流膜厚度呈增大趋势;溜槽内缘层流区域的占比呈增大趋势;溜槽外缘最大切向速度呈增大趋势;二次环流区域呈向槽外缘扩充趋势,二次环流的强度呈增强趋势。     

断面曲线函数对Φ600mm螺旋溜槽内水流场特性的影响

螺旋溜槽良好的分选性能得益于其独特的流场特性。改变结构参数会对溜槽内流场特性产生较为显著的影响。本文以数值仿真技术为基础，采用RNG k-ε湍流模型和VOF多相流模型对3种断面曲线的Φ600mm螺旋溜槽内水流场进行模拟研究，系统考察断面曲线函数对流层铺展、流速分布及流态分布的影响。试验结果表明：当网格数量为849200时，模拟出的二次环流特性基本稳定；除抛物线指数为2的工况外，流层从内向外呈现连续变化特性；切向流速在内缘和中部与抛物线指数呈负相关，而在外缘与指数呈正相关；向内横向流速随指数增大而降低，中部二次环流强度先增强后减弱，外缘二次环流强度相应增强；雷诺数从内向外呈现线性增长趋势，层流的分布范围随指数增大而扩宽，有利于细颗粒在水层中的运动分离。试验研究结果可为螺旋溜槽断面几何设计提供参考。     

螺旋溜槽分选过程的随机数学模型

根据矿粒在螺旋溜槽中的分选原理，用马尔可夫过程描述矿粒按密度和粒度的分层，建立分层的随机模型。用统计数学中的Ｆ－分布描述分层后的矿粒在溜槽径向的再分布，然后将两者结合建立能完全描述矿粒在螺旋溜槽中分选行为的随机数学模型。该模型不仅考虑了随机因素对分选的影响，而且能定量预测诸如精矿产率、品位和回收率指标。模型经石英＋赤铁矿人工混合矿及东鞍山赤铁矿矿石试验结果验证，拟合度较高。     

螺旋分选机动力学分析及参数优化探讨

为了探索螺旋分选机主要结构参数对颗粒运动规律的影响,基于螺旋线的形成特性,利用微元的思想将颗粒在螺旋槽上复杂的受力进行简化,推导出集物料性质、螺旋分选机结构参数为一体的数学模型;以1.0~0.5 mm粒度级的不同密度级粗煤泥为入料,探究了不同密度级颗粒在螺旋分选机出料端沿径向的分布情况,与数学模型分析出的结果进行对比验证,并分析了螺距、流量、螺旋槽内径和槽深等参数对颗粒达运动平衡后径向距离的影响;结果表明:提出的数学模型可以定性分析颗粒在螺旋分选机中的运动行为,颗粒密度越大,其平衡半径越靠近螺旋槽内缘;颗粒达平衡状态后的径向距离随螺距、流量以及内径的减小而减小,随槽深的减小而增加;较小的螺距、较小的内径和较大的槽深有利于粗煤泥的分选。     

螺旋分选机槽面颗粒分布特征研究

为了探究物料在螺旋分选机槽面上的分布状态,以神华集团大柳塔选煤厂粗煤泥为研究对象,采用5LL-Ф600型螺旋分选机分别对9种不同粒度组成的物料进行分选,并对各分选产物进行了分析。试验结果表明:螺旋分选机能够有效处理>0.125 mm粒级物料,但当物料粒度<0.125 mm时,其在螺旋分选机槽面上的分层和分带作用均不明显,不利于物料分选。在螺旋分选机槽面上,物料沿径向产生分层,轻物料在上层,重物料在下层;物料沿纵向产生分带,重物料在内侧,轻物料在外侧。在分选过程中,既存在按密度的分选作用,也存在按粒度的分级作用,入料粒度对分选效果有很大影响:入料粒级越宽,按粒度分级作用越强,越不利于物料按密度分选;入料粒级越窄,越适宜分选。     

下斜角对螺旋溜槽流场特征的影响

流场特性是决定螺旋溜槽分离性能的重要因素,基于数值仿真技术,采用RNG k-ε湍流模型和VOF多相流模型对四种下斜角的螺旋溜槽流场进行了模拟计算。模拟结果表明,随着下斜角的增大,流体向外缘运动的趋势被削弱,外缘流膜变薄,而中部及内缘处的流膜厚度相应增加;主流切向速度有所增加,二次环流范围变大,但环流强度有一定程度的降低,将对颗粒运动及其分离行为产生影响;湍流的作用强度明显加强,有利于改善槽底颗粒的悬浮状态。     

激振电机振动频率与布置角度对振动螺旋分选机性能的影响

为了提高振动螺旋分选机的性能,制作出该型分选机的样机,研究激振电机振动频率和布置角度对设备分选效果和颗粒运动速度的影响。研究结果表明:随着振动频率的增大,设备分选效果先提高后降低,即其在达到最佳分选效果后降低;布置角度对设备分选效果影响不大,但对颗粒运动速度影响显著;该布置角度越大,颗粒运动速度也越大。     

基于新入料形式的圆筒形重介质旋流器流场的研究

 针对目前重介质旋流器导向筒段湍流及转向突变较大的问题,设计出一种新入料形式的重介质旋流器,其主要特点是入料口向底流端倾斜5°,并且配合这一倾斜角度,设计了螺旋角为5°的螺旋形溢流顶板。在相同入料压力下采用PIV技术进行对比测试。试验结果表明,在同一截面上,尤其是在有效分选区域内,新入料形式重介质旋流器相比传统重介质旋流器的速度流场特性有较大的改善,有利于物料的分离以及降低能耗。     

旋流器底流口直管段长度对分离性能的影响研究

底流口直管段是旋流器的重要部件,为了探明底流口直管段长度对旋流器分离性能的影响规律,采用数值模拟和试验方法,对比研究了底流口直管段不同插入深度对旋流器压力场、速度场、湍动能的影响 。模拟结果表明：随着直管段插入深度绝对值的增加,流场静压力、切向速度、湍动能均有不同程度增大,可以有效增大离心强度,强化分离效果,而径向速度随着直管段插入深度绝对值的增加有所减小,径向速度 的减小有利于分级精度的提高;试验结果表明：进料压力为0.1 MPa、进料浓度为10%、进料中位粒径为16.75 μm时,随着底流口直管段长度由0 mm增加到80 mm,底流浓缩倍数由4.61倍提高到6.48倍,底流产品中位 粒径由49.32 μm增大到65.88 μm,溢流产品中位粒径由8.57 μm增加到21.16 μm,溢流产品细度变大,分离粒度增大,综合分级效率较传统旋流器提高了13.85个百分点。     

磨料射流喷嘴外流场磨料速度模型及分析

喷嘴外流场磨料速度是建立磨料射流冲蚀深度模型的重要前提,以磨料射流喷嘴外流场磨料为研究对象,以固液两相流理论为基础,建立了磨料射流喷嘴外流场磨料速度模型,基于位移等分法和迭代算法求解了该速度模型,利用PIV实验进行验证,实测值与理论值的平均百分比误差在5%之内。并利用该速度模型得到了磨料射流喷嘴外流场磨料运动规律:(1)磨料颗粒流在喷嘴外流场的流动具有扩散性;(2)磨料颗粒沿射流轴向运动时,大多经历了一个先加速后减速的过程,只是加速距离有所差异;(3)初始段内相同轴向距离的射流横截面上,位于等速核区域内的磨料速度相同,随后磨料速度从等速核边界朝射流边界方向逐渐减小;初始段末端及基本段内相同轴向距离的射流横截面上,磨料速度沿射流径向的分布完全呈现出钟形速度分布。     

铅锌尾矿在旋流器超重力环境内分离特性研究

通过对颗粒分离理论、铅锌尾矿分选处理工艺等进行分析,提出适用于铅锌尾矿分选的反向流化结构旋流器,利用锥面反向流化作用,快速分离具有密度差异的铅锌尾矿。结果表明,轴向压力值在不同径向截面处对应的值不同,整体上随轴向距离的增大而降低,且在圆锥段获得最大压力值;轴向速度分布呈对称分布,不同轴向截面处的轴向速度增减趋势有区别,颗粒分布主要集中在锥段;随着反向流化速度的增加,PbO矿粒从主要集中分布于旋流器器壁逐渐扩散至整个旋流器流场范围内,大密度PbO颗粒在器壁富集量先增加后降低;当反向流化速度为0.01m/s、进料速度为4m/s时,PbO颗粒达到最大回收率86.7%和富集比22.5,铅锌尾矿颗粒间的分离性能最佳。该研究成果为国内外铅锌尾矿的回收利用提供依据与借鉴。     

锥角对水力旋流器流场及分离性能影响的数值试验研究

为了考察锥角对水力旋流器内部流场和分离性能的影响，针对实验室[?]50 mm水力旋流器，采用Fluent软件中RSM湍流模型、VOF和Mixture多相流模型进行了系统的数值试验研究。流场模拟结果表明，在相同操作条件下，增大锥角，空气柱直径增大，湍流强度增加，压强和压强梯度均明显增加，从而导致整体能耗增加；切向速度随锥角增大明显升高，轴向速度变化不大，但LZVV逐渐向器壁移动，分流比逐渐降低。颗粒分离模拟结果表明，增大锥角会导致分离粒度增加，各粒级分离效率降低；小锥角容易造成“底流夹细”现象，大锥角容易引起“溢流跑粗”现象。研究结果为水力旋流器锥体的结构选择和设计提供了参考。     

煤层气井射流冲煤粉装置冲击深度的研究

为确定煤层气井射流冲煤粉装置合理的结构和工作参数,实现射流冲煤粉系统的优化设计和有效运行,理论分析了冲煤粉装置工作原理和煤粉颗粒运动过程,整个井底冲煤粉射流场可分为:自由射流区、射流冲击区、漫流区、返流区、旋涡区和负压吸附区6个区域,决定煤粉是旋转上升的复杂运动状态。开展均匀设计方法的冲煤粉实验,运用二次多项式逐步回归法得出回归方程,揭示喷嘴结构参数、射流参数和煤粉特性对冲煤粉深度的互相耦合的影响关系。结果表明,对冲煤粉的深度影响程度的大小依次为:喷距、喷嘴直径、喷嘴流量和煤粉直径。进一步的单因素试验详细了解各影响因素对冲煤粉深度的影响,得出在要求不动管柱时冲煤粉深度达到500 mm的条件下,喷嘴流量不能低于15 m3/h,喷距应小于100 mm。     

单、双溢流管旋流器流场特征及分离性能研究

普通旋流器完成一次分级只能得到细颗粒的溢流和粗颗粒的底流,无法实现窄粒级精细分级要求。为了使一次分级可以获得多个细粒径、窄粒级产品,提出了一种双溢流管旋流器,为探明旋流器内流场特 征及分离性能,采用数值模拟和试验研究对比研究了双溢流管旋流器和普通单溢流管旋流器内速度场、压力场、粒度场及分离性能。数值模拟结果表明：具有双溢流管结构的旋流器经过一次分离可以获取内溢流、外 溢流和底流3种粒级产品。相比于单溢流管旋流器,双溢流管旋流器的切向速度和内部静压力更大;径向速度、轴向速度和湍动能更小,说明双溢流管旋流器可以强化分离过程,有利于分离性能的提高。试验验证结果 表明：相较于单溢流管旋流器,双溢流管旋流器底流浓度降低了8.3个百分点,底流产率增大了3.25个百分点,内外溢流产品中-45 μm的颗粒累积含量增加了1.15个百分点,综合分级效率提高了1.26个百分点。研究 结果可为多产品窄粒级旋流分离装备及工艺的研发提供一定的参考。