JJF浮選機氣-液兩相流流場特性研究

唐 軍 符東成 劉 輝 匡敬忠 于明明 滕瑜崇

（1.江西理工大學機電工程學院，江西 贛州 341000；2.贛南科技學院，江西 贛州 341000；3.江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州 341000）

浮選機作為選礦的核心設備，其流場特性對浮選生產效率具有重要影響[1-2]。目前，大多數(shù)學者主要圍繞KYF型浮選機[3-8]進行研究，對自吸氣浮選機研究較少，SALEM-SAID等[9]對Dorr-Oliver浮選機的氣-液兩相進行數(shù)值模擬，探討了氣泡對槽內定子與轉子區(qū)域流場特性的影響。FAYED H等[10]利用0.8 m3和300 m3的自吸氣浮選機功耗等參數(shù)確定了自吸氣浮選機的瞬時進氣量和平均進氣量，并借助數(shù)學模型模擬得到了氣泡-顆粒的碰撞、黏附、脫附過程及分散率和湍動能等參數(shù)情況。FAYED H等[11-12]運用新的邊界處理模型，分析了不同轉速對Wemco浮選機內氣-液兩相流的空氣流速和氣泡尺寸大小的影響。張晉霞等[13]建立模擬策略，對槽內氣-液兩相流場特性進行數(shù)值模擬，并分析了浮選機不同表面張力、曳力相間的作用力對流體特征的影響。劉濤等[14]對KYFⅡ-40型浮選機的固-氣兩相流的流場特性進行數(shù)值模擬，得到其速度場、氣含率等分布規(guī)律。卞寧等[15]對浮選機氣-液兩相流進行數(shù)值模擬，采用Euler-Euler雙流體模型可以得到更好的結果。樊學賽等[16]對JJF型浮選機氣-液兩相流的流場特性進行數(shù)值模擬，得到了氣含率云圖、速度矢量圖等，其中得到轉子上的最大壓力為3.4×104Pa。

綜上所述，研究者對浮選機氣-液兩相流場特性的研究成果較多，主要分析了浮選機內部的流場結構，但對氣泡分布均勻性問題的分析較少，氣泡作為浮選過程中礦粒的主要載體，其分布均勻性直接影響浮選生產效率。本文通過CFD分析，運用Ansys Fluent求解標準k-ε湍流模型的運輸方程，采用Euler-Euler雙流體模型對氣-液兩相流進行數(shù)值模擬，探討JJF-0.2 m3浮選機的速度場、壓力場與氣含率的分布規(guī)律以及氣泡分布均勻性。

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1 計算模型及模擬條件

1.1 物理模型

選定JJF-0.2 m3自吸氣浮選機作為研究對象，結構如圖1，參數(shù)見表1。浮選機工作時，空氣從吸氣口進入，在轉子與定子共同作用下，將吸入的空氣剪切形成小氣泡，再通過分散罩將氣泡分散在整個槽體內。

采用SolidWorks對JJF型自吸氣浮選機進行三維建模，并對模型進行簡化處理，得到的浮選機物理模型如圖2所示。

通過AnsysDesignModeler模塊對物理模型建立流體域，在Mesh中進行網(wǎng)格劃分，其中對分散罩等多孔結構的網(wǎng)格進行細化處理，網(wǎng)格劃分結果見圖3，網(wǎng)格無關性的檢驗標準是轉子區(qū)域某一點流速的變化趨勢，網(wǎng)格無關性見表2。可以看出，增加網(wǎng)格數(shù)量，轉子上某一點的流速隨之增加，在網(wǎng)格數(shù)量大于9.1×106后，轉子上某一點的流速趨于穩(wěn)定，波動范圍在±0.2 m/s之間，考慮計算資源與計算速度問題，因此總網(wǎng)格數(shù)量選取9.1×106，網(wǎng)格質量大于0.4，網(wǎng)格質量平均值為0.833。

1.2 數(shù)學模型

設氣相為i相，液相為j相，自吸氣浮選機的質量守恒方程為：

動量守恒方程為：

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式中，A為體積分數(shù)，%；ρ為密度，kg/m3；v為速度，m/s；t為時間，s；p為壓強，Pa；μ為動力黏度，Pa·s；g為重力加速度，m/s2；F為相間動量交換項，N。

由于標準k-ε湍流模型具有很好的魯棒性、經濟性和可預測性，故采用該模型對JJF型自吸氣浮選機進行數(shù)值模擬，其形式為：

式中，σk與σε分別是與k和ε對應的 Prandtl數(shù)；Cε1、Cε2是經驗常數(shù)，取值分別為σk=1.0、σε=1.3、Cε1=1.44，Cε2=1.92；Gk為湍動能k的產生項，m2/s2。

1.3 模擬條件

在Ansys Fluent中采用Euler-Euler雙流體模型進行數(shù)值模擬，假設在模擬過程中水量始終保持不變，水位線上方為空氣域，下方為水，且水不從槽體邊緣溢出。槽體內初始液位采用Step函數(shù)設置，邊界條件見表3，空氣進出口邊界條件設置為標準大氣壓，轉子轉速為997 r/min，空氣粒徑設為0.01 mm，殘差收斂精度設置為10-5，時間步長為0.01 s，認為計算到空氣進口流量與出口流量平衡時，浮選機處于穩(wěn)定狀態(tài)，模擬停止。

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2 試驗結果與討論

2.1 轉子轉速對氣含率的影響

探討了浮選機在997 r/min、900 r/min、800 r/min、700r/min 4種轉子轉速下的氣含率，其中997r/min為目前試驗達到的最高轉子轉速，豎直截面選取距離槽體中心100 mm和150 mm處，在不同豎直截面下分析不同轉子轉速對氣含率的影響，結果見圖4。

由圖4可以看出，不同轉速下對應的平均氣含率變化趨勢幾乎一致。在位置相同時，提高轉子轉速，平均氣含率值越高，氣體體積分數(shù)越高，形成的氣泡越多。圖4（a）中，在447 mm和596 mm處的平均氣含率最高，氣泡最為集中，其中447 mm為轉子與定子對吸入的空氣剪切形成小氣泡的區(qū)域，596 mm為水位線處的區(qū)域；圖4（b）中，在水位線區(qū)域氣泡最為集中，轉子轉速設定為997 r/min。

2.2 速度場分布

浮選機內的速度場能反映浮選性能的優(yōu)劣。在轉子轉速為997 r/min時，對浮選機內氣相與液相的速度場進行數(shù)值模擬，其速度矢量見圖5，圖6為距離槽體中心100 mm處的氣相、液相速度。

從圖5、圖6可以看出，在100 mm截面處，氣液兩相的速度基本相同，則浮選機內氣相、液相的速度矢量圖基本一致，沿中心轉軸呈對稱式分布。槽內流體與空氣被轉子“吸入”后形成氣液混合流體沿轉子上、下兩個方向高速射出，部分混合流體作用在定子上返回轉子形成循環(huán)，部分混合流體沿轉子下方流向假底，氣液混合流體經過定子孔運動到內壁面時，沿內壁面向上、下兩個方向運動。

圖5中槽體內存在3個循環(huán)流。第一個循環(huán)流出現(xiàn)在轉子與定子之間，由轉子作用形成的氣液混合流體發(fā)射在定子上再返回轉子的過程；第二個主要的循環(huán)流出現(xiàn)在轉子、定子與槽體內壁面之間，混合流體經過定子孔沿內壁面下方向運動形成的循環(huán)過程，此區(qū)域內的流體流動形成大范圍的渦流；第三個循環(huán)流出現(xiàn)在轉子的下部與假底之間，混合流體從轉子的下部沿著豎筒流向假底，然后循環(huán)回轉子的下部。分析可知，循環(huán)流區(qū)域是氣泡產生的主要區(qū)域，循環(huán)流沿中心轉軸呈對稱式分布，形成大范圍的渦流時產生氣泡更多，槽內氣泡呈對稱式產生。

2.3 壓力場分布

在轉子轉速為997 r/min時，對浮選機槽內壓力進行數(shù)值模擬，得到的模擬結果見圖7、圖8。

由圖7看出，槽內壓力主要集中在豎筒和循環(huán)筒上，內部存在較大的周向流，其原因是轉子在豎筒與循環(huán)筒內高速轉動，槽體底部也存在一定的壓力，其產生原因是由于流體流動。圖8為轉子壓力等值線圖，可以看出轉子壓力較大位置為葉片中部與尖角處，即轉子磨損的主要集中部位，轉子區(qū)域最大壓力降低，使用壽命延長。

2.4 氣含率分布

氣含率是評價浮選機性能的重要指標，其分布情況直接影響氣泡礦化的效果，進而影響浮選效率，氣含率也能直觀表現(xiàn)氣泡在浮選機內的分布情況。在轉子轉速為997 r/min時，對浮選機內氣含率的數(shù)值模擬云圖見圖9。

圖9表明：吸氣口處的氣含率最高，分散罩區(qū)域及其以上的槽體內氣含率較高，槽體中下部的氣含率分布較為均勻，浮選機內氣泡分布均勻性較好，轉子與定子區(qū)域的氣含率比槽體內壁面處高，在0.32～0.74之間，說明在此區(qū)域的氣泡在運動過程中與礦漿充分混合，有利于氣泡和礦粒間的接觸、碰撞和黏附，有利于氣泡的礦化，氣泡在槽內分布較為均勻。

定義轉子底面為h=0 mm，圖10為h=0、h=30 mm、h=60 mm、h=90 mm、h=120 mm、h=150 mm上的氣含率云圖。

由圖10可以看出：h=0時，循環(huán)筒內基本上沒有氣體產生；h=30 mm時，轉子內的氣含率達到一定值，之后隨著高度的增加，轉子內的氣含率快速增加；h=90 mm時，轉子內的氣含率值達到最大，而后隨著高度的增加轉子內的氣含率逐漸降低；h=150 mm時，即在轉子頂面時，轉子內的氣含率處于較為穩(wěn)定狀態(tài)，轉子氣含率分布均勻且對稱。說明轉子區(qū)域的氣含率隨著高度的增加而增加，達到最大值后逐漸降低并趨于穩(wěn)定，達到穩(wěn)定狀態(tài)下的氣含率分布均勻且對稱，氣泡分布均勻性好。

3 結 論

（1）通過CFD理論與Euler-Euler雙流體模型對JJF-0.2 m3浮選機氣-液兩相流流場特性進行數(shù)值模擬，分析了速度場、壓力場與氣含率的分布規(guī)律對槽內氣泡分布均勻性的影響。

（2）提高轉子轉速、循環(huán)流區(qū)域形成的氣泡較多，在形成大范圍渦流區(qū)域的氣泡產生更多，轉子區(qū)域的氣泡分布均勻性好，轉子與定子區(qū)域的氣泡在運動過程中與礦漿充分混合，有利于氣泡和礦粒間的接觸、碰撞和黏附，有利于氣泡的礦化。

（3）通過對流場特性的模擬，分析了氣泡分布均勻性問題，氣泡在轉子區(qū)域分布均勻且對稱，但在槽內其他位置分布均勻性較差，還可以外接程序進一步提高模擬結果與槽內真實流場特性的接近程度。