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浮选机内多相流动特性及浮选动力学性能的数值研究

作　者: 韩伟
导　师: 李仁年
学　校: 兰州理工大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 充气机械搅拌式浮选机气固液三相流流动特性浮选动力学数值模拟结构优化
分类号: TD456
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

大型机械搅拌式浮选机具有选矿处理能力强、单位容积功耗小等优点,在选矿行业中的应用越来越广泛。目前,大型浮选机一般都是通过参照小型浮选机的机械结构,按照比例放大关系进行设计,尚未从内部流场层面进行精细化的设计,基本上还处于经验性设计阶段。机械搅拌式浮选机的内部流动是由矿物颗粒、浮选药剂、气泡和水等构成的复杂气固液三相湍流流动,其浮选过程涉及到多种物理过程,其中多相流动过程是浮选机内部的基本物理过程,其多相流体动力学特性决定了浮选机的主要浮选动力学性能。本文通过对浮选机内部多相流动特性的研究,寻求浮选机工作参数与流场特征以及浮选动力学参数之间的关系,为浮选机的结构设计和优化运行提供理论依据和技术指导。针对镍矿的浮选过程,论文对JFC-150型浮选机内部流动特性与浮选动力学性能展开系统的研究,主要内容如下：1)根据机械搅拌式浮选机的结构特点以及浮选作业过程其内部的多相流场特征,忽略了泡沫层对流场结构的影响,对浮选机内部流动区域进行了简化,并将其划分为矿浆-空气混合区、矿化气泡输运区和非目的矿粒沉降分离区三个区域；2)基于多相流基本理论和矿浆-气泡的流动特征,忽略浮选药剂对矿浆与气泡的作用,对大型机械搅拌式浮选机内部多相流动进行了深入研究,提出了采用Mixture多相流模型和RNG k-ε湍流模型对浮选机内部流场进行描述,通过对一种小型浮选机的流场解析和实验分析,论证了上述流动模型对机械搅拌式浮选机流场模拟的可行性；3)采用上述模型和方法,利用FLUENT软件对JFC-150型浮选机在8种不同叶轮转速、9种不同浮选充气压力情况下的浮选机内部多相流进行了流场数值模拟与分析,获得了叶轮转速和浮选充气压力对浮选机内流特性的影响规律以及与浮选动力学参数之间的关系；4)基于脉冲浓度的思想和停留时间分布的数学模型,在稳态流场的基础上,采用二步法,对脉冲示踪物在浮选机内的运动进行了非定常流动计算,建立了浮选机内矿浆停留时间分布的预测方法,并分析了叶轮转速对矿浆停留时间的影响；5)通过对内流场的分析与反复仿真试验,提出JFC-150浮选机结构参数的改进方案,实现了浮选机的节能降耗、产品产量与质量的提高,进一步验证了计算模型的有效性和可靠性。本文的创新点如下：1)提出了适于机械搅拌式浮选机内部气固液多相流动的数值模拟方法；2)建立了描述浮选机内矿浆停留时间分布的数学模型和预测方法；3)通过数值计算,在内流特性分析的基础上,得出了浮选机工作参数(叶轮转速和充气压力)与浮选动力学性能参数(含气量、气泡表面积通量、功率强度以及矿浆停留时间等)之间的关系。

全文目录

摘要  9-10
Abstract  10-11
插图索引  11-13
附表索引  13-14
主要符号表  14-15
第1章绪论  15-31
  1.1 机械搅拌式浮选机研究概况  15-19
    1.1.1 浮选机  15-16
    1.1.2 机械搅拌式浮选机性能评价与浮选动力学性能参数  16-17
    1.1.3 机械搅拌式浮选机结构  17
    1.1.4 机械搅拌式浮选机的相似设计方法  17-19
  1.2 多相流体动力学的研究与进展  19-25
    1.2.1 多相流体动力学的数学模型  19-21
      1.2.1.1 拟两相流体力学模型  19-20
      1.2.1.2 气固液三相流体力学模型  20-21
    1.2.2 多相流动的数值模拟方法  21-23
    1.2.3 多相流动的测试方法  23-24
      1.2.3.1 接触式测试技术  23
      1.2.3.2 非接触式测试技术  23-24
    1.2.4 多相流体动力学的计算软件  24-25
  1.3 浮选机中矿浆多相流体动力学的研究与进展  25-29
    1.3.1 矿粒浮选的过程  25-28
      1.3.1.1 矿粒与气泡的碰撞机理与碰撞概率  26-27
      1.3.1.2 矿粒与气泡的粘附与脱附  27-28
    1.3.2 矿浆多相流体动力学研究  28-29
    1.3.3 湍流强度分布对浮选动力学参数的影响  29
  1.4 论文的主要研究目的与工作  29-30
    1.4.1 大型机械搅拌式浮选机研究存在的问题  29-30
    1.4.2 论文的主要研究目的和主要工作  30
  1.5 本章小结  30-31
第2章机械搅拌式浮选机内多相流动的数值计算方法研究  31-50
  2.1 CFD数值模拟方法  32-36
    2.1.1 CFD数值求解方法  32-33
    2.1.2 计算流体力学主要通用商业软件  33-34
    2.1.3 运动部件与静止部件相互作用的解决方法  34-35
    2.1.4 Fluent6.1软件提供的多相流数学模型  35-36
  2.2 浮选机内气固液多相流动的简化  36
  2.3 浮选机内气固液三相湍流流动的数学模型  36-40
    2.3.1 Mixture模型的控制方程  36-37
    2.3.2 相间作用力  37-39
    2.3.3 湍流模型  39-40
  2.4 浮选机内气固液多相流动的数值求解方法  40-44
    2.4.1 偏微分控制方程的离散化  40-42
    2.4.2 压力与速度耦合关系的处理  42
    2.4.3 多相流动的相间滑移算法  42-43
    2.4.4 网格的划分  43-44
    2.4.5 迭代过程的收敛策略  44
  2.5 数学模型的验证  44-49
    2.5.1 实验模型及测量条件  44-45
    2.5.2 CFD计算与实验测试结果比较  45-49
      2.5.2.1 几何模型与网格划分  45-46
      2.5.2.2 边界条件与初始条件  46
      2.5.2.3 计算迭代残差设置  46
      2.5.2.4 计算结果  46-48
      2.5.2.5 计算结果分析  48-49
  2.6 本章小结  49-50
第3章大型充气机械搅拌式浮选机内多相流动的数值模拟  50-83
  3.1 JFC-150型浮选机三维建模及网格生成  50-53
    3.1.1 几何模型  50-51
    3.1.2 计算域与网格划分  51-53
      3.1.2.1 计算域的确定  51
      3.1.2.2 网格划分与网格无关性检查  51-53
  3.2 充气机械搅拌式浮选机内气固液三相湍流计算  53-55
    3.2.1 浮选机内气固液多相流动型态与简化  53
    3.2.2 浮选机内气固液多相流动的数学模型与数值求解  53
    3.2.3 计算的边界条件和初始条件  53-55
  3.3 数值模拟结果及分析  55-76
    3.3.1 数值模拟结果及分析  55-75
      3.3.1.1 截面与分点定义  55-56
      3.3.1.2 叶轮转速对浮选槽内气固液三相流动的影响  56-70
      3.3.1.3 充气压力对浮选槽内气固液三相流动的影响  70-75
    3.3.2 充气机械搅拌式浮选机内多相流动特性分析  75-76
  3.4 叶轮转速和充气压力对浮选机浮选动力学性能的影响  76-82
    3.4.1 叶轮转速和充气压力对浮选机内矿物和气泡扩散的影响  76-77
    3.4.2 叶轮转速和充气压力对浮选机内充气水平的影响  77-79
      3.4.2.1 浮选机充气量  77
      3.4.2.2 浮选机矿浆含气量  77-78
      3.4.2.3 浮选机内空气横截面速度  78-79
      3.4.2.4 浮选机内气泡表面积通量  79
    3.4.3 叶轮转速和充气压力对浮选机内气泡矿化的影响  79-82
      3.4.4 叶轮转速和充气压力对浮选机内矿浆短路的影响  80-81
      3.4.5 叶轮转速和充气压力对浮选机功率的影响  81-82
  3.5 本章小结  82-83
第4章浮选机内矿浆停留时间的数值模拟  83-90
  4.1 矿浆停留时间数值模拟的基本思想及方法  83-84
  4.2 浮选机内矿浆停留时间的数值模拟方法  84-86
    4.2.1 停留时间的数值模拟方法  84
    4.2.2 停留时间分布函数与平均停留时间的计算  84-86
  4.3 充气机械搅拌式浮选机内矿浆单相流动的数值模拟  86-88
    4.3.1 浮选机内矿浆单相流动的数学模型和数值模拟方法  86
      4.3.1.1 充气机械搅拌式浮选机内矿浆单相流动的数学模型  86
      4.3.1.2 充气机械搅拌式浮选机内矿浆单相流动的数值模拟方法  86
    4.3.2 浮选机内矿浆流动的边界条件和初始条件  86
    4.3.3 数值模拟结果与分析  86-88
      4.3.3.1 模拟结果  86-87
      4.3.3.2 结果分析  87-88
  4.4 矿浆停留时间数值模拟与分析  88-89
  4.5 本章小结  89-90
第5章基于数值分析的充气机械搅拌式浮选机结构改型  90-96
  5.1 JFC-150型充气机械搅拌式浮选机工业试验中存在的问题  90
  5.2 JFC-150浮选机原型机工作参数及结构  90
  5.3 JFC-150浮选机结构的改型原则和方案  90-91
  5.4 改型设计  91
  5.5 改型前后数值模拟结果的讨论与分析  91-94
    5.5.1 控制方程与边界条件  91
    5.5.2 数值计算结果与分析  91-94
      5.5.2.1 数值计算结果  92-93
      5.5.2.2 数值计算结果分析  93-94
    5.5.3 改型对浮选机内流场和浮选动力学环境的影响  94
  5.6 改型前后工业试验结果与比较  94-95
  5.7 本章小结  95-96
结论与展望  96-99
参考文献  99-106
致谢  106-107
攻读学位期间的主要研究成果  107

浮选机内多相流动特性及浮选动力学性能的数值研究

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