郭天宇， 姚 心， 李 鵬， 周鳳娟， 張 穎， 劉 誠(chéng)

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所， 北京 100190)

0 引言

19世紀(jì)末，泡沫浮選正式成為一種工業(yè)選礦方法而得到應(yīng)用[1]，經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展，浮選技術(shù)和浮選設(shè)備得到了快速發(fā)展而日趨完善[2]。但是隨著近年來(lái)礦產(chǎn)資源的日趨匱乏和惡化，不斷對(duì)浮選機(jī)的設(shè)計(jì)和性能提出了新的要求[3-6]。

浮選機(jī)大型化過(guò)程中通過(guò)浮選機(jī)的設(shè)計(jì)原則、放大方法、設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)等研究可以設(shè)計(jì)出大型浮選機(jī)，但是必須要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，這個(gè)過(guò)程周期長(zhǎng)、費(fèi)用大。為了縮短開(kāi)發(fā)周期，降低研究費(fèi)用，減少工業(yè)試驗(yàn)工作量，需借助計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)，建立浮選機(jī)流體動(dòng)力學(xué)仿真模型，對(duì)大型浮選機(jī)的結(jié)構(gòu)及不同操作條件下的流體動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行模擬計(jì)算[7-9]。本文利用CFD技術(shù)針對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的浮選機(jī)在設(shè)計(jì)工況下的運(yùn)行性能進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)礦漿流態(tài)、吸附壓力分布、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及功耗計(jì)算等一系列關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)浮選機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

某項(xiàng)目浮選機(jī)由電機(jī)、傳動(dòng)裝置、葉輪、定子、主軸、槽體、支架和電動(dòng)推桿等組成。從CFD計(jì)算角度，浮選機(jī)可分為攪拌混合區(qū)和泡沫區(qū)2個(gè)區(qū)域。本文所有針對(duì)浮選機(jī)內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬研究都是對(duì)2個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)的氣- 液兩相流場(chǎng)的考察。本文浮選機(jī)幾何模型在ANSYS Workbench中建立，選用ANSYS軟件中ICEM- MESHING模塊軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖1 浮選機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 浮選機(jī)模型

為了最大限度地減小浮選機(jī)整體模型的交互面的數(shù)量，并根據(jù)槽體內(nèi)流體流動(dòng)特征不同，將槽體內(nèi)部分為空氣域、旋轉(zhuǎn)域和槽內(nèi)區(qū)域，并分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬。浮選機(jī)主體結(jié)構(gòu)分為旋轉(zhuǎn)區(qū)和固定區(qū)，其中葉輪- 定子旋轉(zhuǎn)區(qū)采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其余部分劃分為混合型網(wǎng)格。

1.2 數(shù)學(xué)模型

浮選機(jī)模擬計(jì)算的質(zhì)量守恒方程的表達(dá)式為：

(1)

對(duì)應(yīng)的動(dòng)量守恒方程為：

(2)

在Standardk-εModel模型中，關(guān)于k-ε的輸送方程如下：

(3)

(4)

上式中，Yk和Yw分別代表湍動(dòng)生成的k和w，Sk和Sw為自定義源項(xiàng)。Gk代表的是由于平均速度產(chǎn)生湍流動(dòng)能；計(jì)算如一般k-ε方程湍動(dòng)生成一樣。Gb是由湍動(dòng)形成的湍流動(dòng)能。σk與σε分別是k和ε的湍動(dòng)普朗特?cái)?shù)。

2 邊界條件

對(duì)于浮選機(jī)模擬而言，邊界條件的正確設(shè)置也是仿真計(jì)算準(zhǔn)確的關(guān)鍵。本文模擬計(jì)算的浮選機(jī)仿真邊界條件設(shè)置如表1所示。

表1 仿真邊界條件設(shè)置

3 結(jié)果與討論

3.1 浮選機(jī)全流體運(yùn)行軌跡驗(yàn)證

圖3所示為浮選機(jī)內(nèi)全流體運(yùn)行軌跡模擬結(jié)果，包括浮選機(jī)內(nèi)礦漿粒子的運(yùn)動(dòng)情況，以及不同位置處的速度大小和分布。模擬結(jié)果可以直觀反映設(shè)備結(jié)構(gòu)、尺寸和渦輪設(shè)計(jì)對(duì)礦粒在浮選機(jī)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的影響。礦漿被吸入浮選機(jī)后，隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速度達(dá)到最大值，隨后甩出而成徑向射流最后發(fā)展直至槽壁。礦漿粒子運(yùn)行軌跡遍布整個(gè)浮選機(jī)槽體，這驗(yàn)證了浮選機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

3.2 浮選機(jī)內(nèi)速度場(chǎng)驗(yàn)證

圖4所示為浮選機(jī)內(nèi)中心剖面的液相速度云圖，作為浮選機(jī)槽內(nèi)流體流動(dòng)的主體，混合區(qū)內(nèi)較強(qiáng)的液相速度有利于礦漿和氣泡的混合，而運(yùn)輸區(qū)內(nèi)液相速度較弱可使礦化氣泡穩(wěn)定上升而不致因擾動(dòng)過(guò)大而脫落。液相離開(kāi)定子葉片后成為徑向射流，發(fā)展直至槽壁。圖4右側(cè)所示為葉輪- 定子區(qū)內(nèi)橫截面速度云圖，葉輪葉片的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)流體流動(dòng)，故葉片迎風(fēng)面均產(chǎn)生了很高的流體速度，定子葉片處流速有所降低，說(shuō)明定子的穩(wěn)流和導(dǎo)流設(shè)計(jì)有效。整體流場(chǎng)分布有一定的對(duì)稱(chēng)性。

3.3 浮選機(jī)負(fù)壓形成及分布驗(yàn)證

浮選機(jī)由電動(dòng)機(jī)三角代傳動(dòng)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心作用形成負(fù)壓，礦漿從而被吸入浮選機(jī)內(nèi)。圖5所示為浮選機(jī)設(shè)備的壓力分布云圖，仿真結(jié)果顯示浮選機(jī)中心筒內(nèi)和葉輪葉片上存在明顯的負(fù)壓，這對(duì)于浮選設(shè)備內(nèi)上、下循環(huán)的產(chǎn)生、吸氣、吸漿作用等都是有益的。通過(guò)對(duì)浮選機(jī)內(nèi)負(fù)壓的形成和分布的仿真模擬，從而對(duì)浮選機(jī)在設(shè)計(jì)工況下的運(yùn)行性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖4 浮選機(jī)內(nèi)速度流場(chǎng)分布

圖5 浮選機(jī)內(nèi)負(fù)壓形成及分布

模擬結(jié)果中紅色向藍(lán)色的變化表示壓力由高到低的變化過(guò)程。圖6中在葉輪的迎風(fēng)面處存在高壓分布區(qū)，分別位于葉輪葉片轉(zhuǎn)角的前緣和上下部接近葉輪頂端的部位，這與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)葉輪磨損情況相吻合。同樣的，在定子表面的高壓區(qū)域是與葉輪高壓區(qū)相對(duì)的位于定子上部的迎風(fēng)區(qū)域，這里承受的流場(chǎng)壓力要比其他區(qū)域大，磨損也更多，與實(shí)際中測(cè)試的情況也一致。

3.4 浮選機(jī)內(nèi)氣泡分布及氣泡形成驗(yàn)證

浮選機(jī)內(nèi)氣、液兩相的分布情況對(duì)礦物浮選是十分重要的，也是評(píng)價(jià)設(shè)備性能和浮選操作優(yōu)劣的重要指標(biāo)。圖7為浮選機(jī)內(nèi)液相和氣相的兩相分布情況。隨著葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，浮選機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)形成的負(fù)壓不斷吸取空氣，進(jìn)入旋轉(zhuǎn)區(qū)的空氣又不斷被旋轉(zhuǎn)葉片打碎分散。仿真內(nèi)氣液兩相分布結(jié)果表明，氣泡能夠比較均勻的存在于整個(gè)浮選機(jī)設(shè)備內(nèi)，并在液相中不斷渦旋上升，這說(shuō)明礦漿與氣泡混合比較充分，有助于礦粒與氣泡的接觸、碰撞和黏附，有利于氣泡的礦化。通過(guò)分析計(jì)算浮選氣泡的產(chǎn)生過(guò)程和氣泡分布，從而對(duì)浮選機(jī)設(shè)計(jì)工況下的浮選性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖6 浮選機(jī)轉(zhuǎn)子的受壓圖

圖7 浮選機(jī)內(nèi)氣泡分布

3.5 浮選機(jī)擋板優(yōu)化驗(yàn)證

設(shè)計(jì)人員對(duì)浮選機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及擋板進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)仿真模擬對(duì)比了有無(wú)擋板兩種浮選機(jī)設(shè)計(jì)的氣液兩相分布及速度場(chǎng)分布。圖8a氣液兩相分布仿真結(jié)果表明，優(yōu)化擋板后，浮選機(jī)吸氣能力和破碎生成氣泡量都明顯增加，從而有助于對(duì)礦粒的吸附和收集。圖8b速度場(chǎng)仿真對(duì)比結(jié)果表明，優(yōu)化擋板后浮選機(jī)內(nèi)速度分布更均勻，有利于混合區(qū)流場(chǎng)循環(huán)的穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)浮選機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及擋板設(shè)計(jì)的優(yōu)化、驗(yàn)證，最大化提高了浮選機(jī)對(duì)礦漿的吸附和收集。

圖8 浮選機(jī)有無(wú)擋板模擬結(jié)果對(duì)比

3.6 浮選機(jī)渦輪理論功率驗(yàn)證

通過(guò)浮選機(jī)模擬過(guò)程中，對(duì)渦輪剪切力、軸向受力等的數(shù)值監(jiān)控和分析，進(jìn)一步計(jì)算得浮選機(jī)在不同工況下的理論能耗值。圖9計(jì)算了礦漿工況下浮選機(jī)渦輪在轉(zhuǎn)動(dòng)、吸液、吸氣液三種運(yùn)行狀態(tài)下的理論能耗值，仿真結(jié)果表明浮選機(jī)運(yùn)行初始時(shí)渦輪功率達(dá)到最大值，吸漿、吸氣運(yùn)行平穩(wěn)后渦輪功率值依次降低。渦輪能耗仿真結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)值非常接近。同時(shí)我們對(duì)比了不同轉(zhuǎn)速下浮選機(jī)的渦輪理論能耗。圖9仿真結(jié)果表明，渦輪轉(zhuǎn)速越快能耗值越高。通過(guò)對(duì)浮選機(jī)渦輪的理論能耗計(jì)算，最終得到不同工況下浮選機(jī)的最優(yōu)運(yùn)行功率和能耗。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下的理論功率值

4 結(jié)論

本文通過(guò)模擬計(jì)算浮選機(jī)內(nèi)全流體運(yùn)行軌跡，直觀驗(yàn)證設(shè)備結(jié)構(gòu)、尺寸和渦輪設(shè)計(jì)對(duì)礦粒在浮選機(jī)內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響；通過(guò)浮選機(jī)工作過(guò)程中的氣液兩相流動(dòng)、氣泡產(chǎn)生和均布、吸附壓力分布分析對(duì)浮選機(jī)在設(shè)計(jì)工況下的運(yùn)行性能進(jìn)行驗(yàn)證；對(duì)浮選機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及擋板進(jìn)行了優(yōu)化，提升對(duì)礦粒的吸附和收集；模擬計(jì)算浮選機(jī)在鎳礦礦漿中運(yùn)行時(shí)的理論功率值，從而獲得浮選機(jī)不同工況下的最優(yōu)運(yùn)行功率和能耗。