氣液固三相流在機(jī)械攪拌充氣式浮選機(jī)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬_圖文

1、第35卷第1期 2009年2月蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)Joumal of I舯zhou UIliversity of TeclnologyVdL 35No.1 Feb.2009文章編號(hào):16735196(200901田037_04氣液固三相流在機(jī)械攪拌充氣式浮選機(jī)內(nèi) 運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬李仁年,唐 壟,韓 偉,李琪飛,沈建鋒(蘭州理工大學(xué)流體動(dòng)力與控制學(xué)院,甘肅蘭州 730050摘要:針對(duì)機(jī)械攪拌充氣式浮選機(jī)內(nèi)部氣液固三相流動(dòng)比較復(fù)雜的情況,對(duì)有效容積為165m3的大型機(jī)械攪拌充關(guān)鍵詞:機(jī)械攪拌充氣式浮選機(jī);氣液固三相流;數(shù)值模擬;內(nèi)流場(chǎng)分析中圖分類(lèi)號(hào):TH311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ANumerical simul

2、ation of gas_Iiquid-solid three_phase inner now inmechanically stirring ai卜charging noatation machineU Ren-nian,TANG Kun,HAN Wei,U Qifei,SHEN Jianfeng(College of F1uid Power andcontl,hflzhou U面v.of Tech.,hnzhou 730050,ChinaAbstract:Aimed at the comparatively complicated case of gasliqui小solid three-

3、phase flow in a mechani cally stirring aircharging floatation,this kind of floatation machine with effective volume of 165m3was investigated. ThrePdimension turbulent flow of the three phase medium was analyzed numerically with multiphase model ofMixture,h turbulent model and ReynoldsAveraged time-a

4、veraged equations.The distribution of inner flow field was used to analyze the inner flow in the floatation machine and the dist“bu tion patterns of velocity,v01umetric fraction,turbulent intensity,trace of gasliquid-so“d threephase in ner flow in the floatation machine were obtained.1沁y wor(1s:mech

5、anically stirring air.charging floatation machine;gasliqui小s01id threpphase flow;nu merical simulation;analysis of inner flow field浮選機(jī)是礦物加工領(lǐng)域重要選礦設(shè)備之一1】. 機(jī)械攪拌充氣式浮選機(jī)是實(shí)現(xiàn)礦物分選應(yīng)用最廣泛 的物理手段,主要應(yīng)用于礦業(yè)、煤炭、水處理、有色金 屬、造紙等行業(yè),其最顯著特點(diǎn)是機(jī)械驅(qū)動(dòng)葉輪攪拌 礦漿,并將進(jìn)入的空氣分散成小氣泡2.為了尋求理 想的浮選機(jī)工作參數(shù),提高其分離效率,對(duì)浮選機(jī)內(nèi) 部流場(chǎng)進(jìn)行研究是很有必要的.其內(nèi)流場(chǎng)特性以及 浮選動(dòng)力

6、學(xué)特性對(duì)浮選效率乃至整個(gè)浮選工業(yè)過(guò)程 的順利進(jìn)行都有著重要的影響.為了從浮選機(jī)內(nèi) 部氣液固三相流動(dòng)機(jī)理上研究礦粒浮選動(dòng)力學(xué)收稿日期:2008l-08基金項(xiàng)目:甘肅省自然科學(xué)基金(ZSDA25-021屯作者簡(jiǎn)介:李仁年(1963一,男,甘肅民勤人,教授,博導(dǎo). 特性,例如氣泡與礦粒的碰撞、黏附與脫落特性、氣的循環(huán)型式、循環(huán)強(qiáng)度等,本文利用三維造型軟件和 Fluent軟件對(duì)有效容積為165m3的機(jī)械攪拌充氣 式浮選機(jī)進(jìn)行三維建模和數(shù)值模擬.計(jì)算得到浮選分離效率的因素、改型設(shè)計(jì)和提高整機(jī)的性能提供 了參考.1浮選機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與網(wǎng)格劃分進(jìn)行數(shù)值計(jì)算及比較研究的機(jī)械攪拌充氣式浮 選機(jī)礦石處理量為3000t

7、/d,漿體濃度1270 kg/m3,礦漿進(jìn)口處礦粒的體積分?jǐn)?shù)為o.3,礦漿流38蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)第35卷334r/min.浮葉片結(jié)構(gòu),葉片數(shù)為8;導(dǎo)葉采用徑向布置方式,葉 浮選機(jī)的幾何模型.表1浮選機(jī)的主要幾何參數(shù)Tab.1Main st九lcturalpar枷etersofn徹t:lti伽machim 1.漿體進(jìn)口;2.氣泡溢出口;3.空氣進(jìn)口;4.氣泡助推 器;5.空心軸;6.導(dǎo)流板;7.折流板;8.槽體;9.導(dǎo)葉; 10.漿體出口;11.葉輪圖1機(jī)械攪拌充氣式浮選機(jī)的結(jié)構(gòu)Fi孚1Stmctural of珊嚏lIanically sti州Ilg a*chargiIlgnoatationma

8、chiIIe對(duì)該型浮選機(jī)進(jìn)行三維網(wǎng)格的生成,網(wǎng)格劃分 槽體三個(gè)相互耦合體.浮選機(jī)網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)總數(shù)為1392119個(gè).2數(shù)學(xué)模型2.1控制方程和湍流模型2.2邊界條件面、后蓋板等固壁均為無(wú)滑移邊界條件.在計(jì)算區(qū)域的漿體進(jìn)口邊界上為均勻連續(xù)的速度邊界條件,其 固相和液相的體積分?jǐn)?shù)為o,氣相為1;在計(jì)算域的氣泡溢出出口邊界上采用壓力出口邊界條件,假定 出口平均壓力為大氣壓;在計(jì)算區(qū)域的漿體出口邊 界上,采用壓力出口邊界條件,該邊界壓力可由大型 孔口出流的方法計(jì)算8.3數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析根據(jù)浮選機(jī)樣機(jī)性能實(shí)際測(cè)試實(shí)驗(yàn)情況,選定 oookg/m3;空氣氣泡直徑取1kPa(靜 壓,槽內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)為水、礦石顆粒和

9、空氣氣泡三相 混合物.對(duì)葉輪轉(zhuǎn)速咒一110r/min的機(jī)械攪拌充氣 式浮選機(jī)浮選槽內(nèi)的三相三維湍流流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算與分析,獲得了各相流體在浮選槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度流線、速度云圖、體積分?jǐn)?shù)云圖以及混合相的湍流 強(qiáng)度云圖.本文分析所取截面均為圖l所示的z=o截面,即與浮選機(jī)進(jìn)出口面相平行的截面,因?qū)Ω∵x機(jī)進(jìn)行三維模擬,流場(chǎng)有一定的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性,故取截 面的一半進(jìn)行分析. 3.1數(shù)值模擬結(jié)果圖26分別為z=o截面氣液固三相的速度矢 3.2模擬結(jié)果分析3.2.1氣液固三相運(yùn)動(dòng)速度對(duì)浮選性能的影響浮選上下穩(wěn)定的兩個(gè)循環(huán)區(qū),如圖2和圖5所示.從 圖3可以看出下部是主循環(huán)區(qū),循環(huán)強(qiáng)度要高于上 部,這有利于氣泡與礦

10、粒在循環(huán)區(qū)充分混合與碰撞,上部循環(huán)強(qiáng)度較小,為輔助循環(huán)區(qū),可以一方面增加 致,有利于增加氣固兩相的碰撞概率.在運(yùn)輸區(qū)靠近邊壁區(qū)域氣泡與礦粒向上運(yùn)動(dòng),有利于礦粒的懸浮和黏附;在邊壁與氣柱中間區(qū)域受循環(huán)區(qū)上部循環(huán) 運(yùn)動(dòng)速度相反,易引起已吸附在氣泡上的礦粒產(chǎn)生第1期 李仁年等:氣液固三相流在機(jī)械攪拌充氣式浮選機(jī)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬39m/s,使分離區(qū)與其上部的泡沫區(qū)比較 穩(wěn)定,減少了液面翻花現(xiàn)象的發(fā)生;在分離區(qū)頂部,氣液固三相的徑向速度均由槽體中心指向壁面,有 利于泡沫的溢流和回收.(b固相(c液相H辱2Vel佻ity vecto巧蚰四。對(duì)secti帆with z。O in ntatiodI (a固相軸

11、向速度 (b固相徑向速度 (c氣相軸向速度 (d氣相徑向速度圖3浮選槽內(nèi)沿z=o截面氣固兩相軸向與徑向的速度分布(m/sH孚3AxiaI and radialvdoc腳distributi肌of印鏟soIid two_pha辯訂owcros鏟sti帥wjtll z20ilIntation oeIlm/s (a氣相 (b固相(c液相圖4浮選槽內(nèi)z=0截面的體積分?jǐn)?shù)分布晦4voIn覷ldi0帆曲tribut函啪伽四懈婚ecj伽witlIz=O iII nta6cell蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)第35卷 圖5浮選槽內(nèi)流體混合相運(yùn)動(dòng)軌跡 F晦51h惜ofpIllp in倫訂tati帥cen 圖6浮選槽沿z=0截

12、面流體混合相湍流強(qiáng)度n辱6Ct傭岱of t盯bllI印ce inte吣ity aIgtlIe z2OsectiOn of tllenoatati伽ceU個(gè)位置,這樣氣相在浮選槽內(nèi)的分布比較均勻,有利 于氣泡與礦粒的接觸.由圖4a在混合區(qū)下循環(huán)區(qū)域 氣泡的體積分?jǐn)?shù)為o.0738o.0995;由于浮力的 影響,在上循環(huán)區(qū)域?yàn)镺.135域的渦核處由于氣泡的密度最小,固相礦粒的密度 循環(huán)區(qū)頂部與運(yùn)輸區(qū)下部存在著分離流,使運(yùn)輸區(qū) 靠近槽體邊壁和氣柱附近的區(qū)域氣泡與礦粒的體積 分?jǐn)?shù)較高,分布達(dá)到o.0995和o.152o;在中心區(qū) 域較低,僅僅為o.0625和O.140O,在分離區(qū)上部 平均為o.0995

13、和O.138o,這說(shuō)明分離區(qū)的氣泡可 以為泡沫區(qū)聚集一定厚度礦化泡沫層. 圖6在混合區(qū)的湍流強(qiáng)度為o.5935o.7934,此處的湍流強(qiáng)度較大,有利于礦粒充分地分散到槽內(nèi)的各個(gè)位置,使氣泡與礦粒充分混合,有利于氣泡流強(qiáng)度為o.1277o.1992,湍流強(qiáng)度較小,是比較 穩(wěn)定的層流運(yùn)動(dòng),這將減小礦化氣泡礦粒的脫落幾 率,有利于礦化氣泡繼續(xù)上升,到達(dá)分離區(qū)進(jìn)行分 離,有利于浮選的進(jìn)行.4結(jié)論1利用CFD軟件進(jìn)行機(jī)械攪拌充氣式浮選機(jī) 內(nèi)部氣液固三相流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算及比較分析.大型 機(jī)械攪拌充氣式浮選機(jī)槽內(nèi)的礦漿與氣泡的循環(huán)形 式均采用循環(huán)區(qū)上下兩個(gè)循環(huán)方式,其中下循環(huán)為 主循環(huán),上循環(huán)為輔助循環(huán).葉輪

14、在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí),浮 選機(jī)基本可以達(dá)到該類(lèi)型循環(huán)的布置方式.2通過(guò)對(duì)浮選機(jī)內(nèi)部氣液固三相流場(chǎng)的研究, 分析了機(jī)械攪拌充氣式浮選機(jī)內(nèi)流場(chǎng)與礦漿循環(huán)型 式以及浮選動(dòng)力學(xué)性能之間的映射關(guān)系.3數(shù)值模擬結(jié)果可為同類(lèi)型的機(jī)械攪拌充氣式浮選機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù).4由于模型的復(fù)雜性,大多數(shù)的研究都是在簡(jiǎn)化了幾何形狀和流動(dòng)特性的條件下進(jìn)行的浮選機(jī)內(nèi) 部流動(dòng)數(shù)值模擬,因此還需進(jìn)一步通過(guò)理論分析和 實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證.致謝:本文得到蘭州理工大學(xué)“學(xué)術(shù)梯隊(duì)及特色研究方向重點(diǎn)資助計(jì)劃”項(xiàng)目(T200303資助.參考文獻(xiàn):1沈政昌,盧世杰.K、.160型浮選機(jī)工業(yè)試驗(yàn)研究J.有色金屬:選礦部分,2006(3:3741.2沈政

15、昌.國(guó)外浮選機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展J.礦業(yè)快報(bào),2005,429(3:913.3曾克文,薛玉蘭,余永富.浮選槽中固一液氣三相流中顆粒的速度J.金屬礦山,2001,299(5:2卜23.4曾克文,余永富,薛玉蘭.浮選機(jī)槽內(nèi)礦漿紊流強(qiáng)度對(duì)氧化礦浮選的影響J.礦產(chǎn)綜合利用,2001(2:1922.5李仁年,韓偉,劉勝,等.小粒徑固液兩相流在螺旋離心泵58.6宋月蘭,高正明,李志鵬.多層新型槳攪拌槽內(nèi)氣一液兩相流動(dòng)7侯拴弟,張敢,王英琛,等.軸流槳攪拌槽三維流場(chǎng)數(shù)值模擬J.化工學(xué)報(bào),2002(2:70-76.8羅惕乾,程兆雪,謝永曜.流體力學(xué)M.2版.北京;機(jī)械工業(yè)出版社。2005. 氣液固三相流在機(jī)械攪拌充

16、氣式浮選機(jī)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬作者:李仁年 , 唐堃 , 韓偉 , 李琪飛 , 沈建鋒 , LI Ren-nian, TANG Kun, HAN Wei, LI Qifei , SHEN Jian-feng作者單位:蘭州理工大學(xué),流體動(dòng)力與控制學(xué)院,甘肅,蘭州,730050刊名:蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào) 英文刊名:JOURNAL OF LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY年,卷(期:2009,35(1被引用次數(shù):0次參考文獻(xiàn)(8條1. 沈政昌 . 盧世杰 KYF-160型浮選機(jī)工業(yè)試驗(yàn)研究 期刊論文-有色金屬(選礦部分 2006(032. 沈政昌 國(guó)外浮選機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展 期刊論文-礦業(yè)快報(bào) 2005(033. 曾克文 . 薛玉蘭 . 余永富 浮選槽中固-液-氣三相流中顆粒的速度 期刊論文-金屬礦山 2001(054. 曾克文 . 余永富 . 薛玉蘭 浮選機(jī)槽