基于矿浆驱动叶轮吸气的浮选气泡生成机理及流场模拟研究

A new type flotation machine is put forward, which is of a turbine driven by pressure slurry. It could make the flow field of flotation machine more reasonable and power frugal. Flotation bubbles are formed by air, induction form quill shaft by rotating turbine, mix with slurry that attack the turbine. Slurry and bubbles are scattered into the tank by mixing impeller. The complex multiphase flow system is formed for slurry transportation, suction air and mixing effect of attacking impellers. In this project, the mechanism of multiphase media movement in the flotation tank is investigated by fluid dynamics, and the fluid dynamics models is established. The structure and technological parameters are optimized by CFD, and the flow field of the flotation device is tested by PIV. The coupling mechanism of bubble ebullition caused by the jet slurry jet and impeller mixing is researched in order to control bubble ebullition and meet different selection condition of different slurry character. The relationship between size, number of bubble and structure parameters, feed pressure, velocity of aeration device is constructed. The mechanism of pressure slurry attack impellers mixing is studied. The flotation tank, jet air charging device and mixing impellers are optimally designed by modern design methods. It will achieve the smaller and more homogeneous micro-bubble by the adjustability of experimental parameters and mode of slurry cycle. The jet-aeration and impeller-mixing flotation cell will be industrially expanded by the similarity principle in order to develop more power frugal and efficient flotation equipments.

提出一种用矿浆驱动搅拌涡轮的新型浮选机，以使浮选槽内流场更合理，能量消耗更低。浮选气泡是通过涡轮的旋转由中空轴吸入的空气，与冲击涡轮的矿浆混合而生成。搅拌叶轮使矿浆、气泡分散至浮选槽内。矿浆输运、空气吸入、冲击叶轮的搅拌作用形成复杂的多相流体系。用流体动力学分析浮选槽内多相介质运动机理，建立流体动力学模型。用计算流体力学方法合理优化浮选机各工艺及结构参数，并用粒子激光测速仪（PIV）测试浮选槽内流场。研究矿浆喷射充气过程及与叶轮搅拌装置冲击过程中气泡的生成过程的耦合作用机理，以控制气泡生成，满足不同性质的矿浆性质的分选要求。寻求气泡尺寸及数量与充气装置结构参数和入料压力、流速关系，矿浆冲击到叶轮的搅拌机理。用优化方法，进行浮选槽、喷射充气装置、搅拌叶轮的参数寻优建模；用现代实验技术变参数实验，配合矿浆循环方式改变，使生成的微泡更小，分散更均匀。通过相似原理，为高效的浮选设备提供理论依据。

基于传统泡沫浮选设备的结构特点，提出并研究了基于矿浆冲击叶轮吸气搅拌的浮选装置，根据内部流场的流动特性并结合理论计算与流体仿真模拟，探索结构参数与工况参数与叶轮转速之间的关系，寻找叶轮参数与内部流场之间的相互关系，为叶轮设计和优化提供理论依据。. 利用流场模拟软件对喷射器结构特征进行仿真，寻找吸气性能最优时的喷射器结构参数，然后利用PIV测试技术对实验模型内的流场运动、紊流强度进行测量，对叶轮结构以及浮选槽内流场进行了优化，同时对实验装置能量损失情况进行全面的研究，分析了喷射搅拌浮选装置能量损失组成，即主要由喷嘴及进料管部分的能量损失、射流冲击靶距部分的能量损失与叶轮旋转时的能量损失三部分组成；结合理论分析及试验数据分析对喷射搅拌浮选装置能量损失与相关重要参数之间的规律关系进行了详细的分析，并得出浮选装置能量损失组成情况。. 根据吸气特性，进一步提出利用环空射流吸气驱动叶轮搅拌浮选的装置，采用环空吸气喷射冲击叶轮搅拌，使气泡受到淹没射流切割、射流冲击及叶轮搅拌切割三重作用得到充分的割裂与分散。. 利用流体力学、CFD模拟、高速动态摄像仪等手段系统地研究了装置在不同工况参数和结构参数下的优化和调控机理。研究得出了淹没状态下环空射流喷头在不同工况下的能量耗散规律，建立了气液比与不同的结构参数及工艺参数的关系；揭示了不同结构参数和工况参数下气泡的粒径分布规律及气泡生成机理。同时对喷头与叶轮之间的配合进行了优化设计。. 结合上述的研究成果，进一步从能量有效利用的角度对浮选装置结构进行优化，设计一种双连杆叶轮射流搅拌浮选装置，并对装置进行了气泡生成可控性研究以及对装置浮选矿化效果及分选效果进行了带煤试验研究，从而验证了装置的性能。. 项目的研究取得了大量的学术成果和宝贵的实验数据，达到了研究的预期目标，为接下来浮选设备的工业化应用进一步奠定了基础。