大型自吸气浮选机卷吸效应及空间结构关系作用机制研究

The efficient application of large self-aeration flotation machine is seriously confined by the contradiction between the rapid variation of the spatial structure during the flotation machine scale-up and maintaining a superior flotation dynamics separation environment. However, it is not feasible to illustrate the influence of spatial structure on the flotation dynamics characteristics with the method of similar scale-up and engineering experience accumulation, and the theoretical innovation is demanded to guide the engineering practice. The project will explain the gas suction microcosmic mechanism and CFD model construction, which can be the project foundation and breakthrough. Further, it will reveal the gas suction process, bubble characteristics and dispersion and gas-liquid dispersion action mechanism by combination experimental fluid dynamics with computational fluid dynamics. It will demonstrate the inherent relationship between gas-liquid dispersion and stirring or mixing in multiphase flow. Based on the CFD method, it will interpret the collaborative mechanism of fluid dynamics characteristics, collision probability and flotation rate constant, etc, forming the CFD study method and developing the self-aeration flotation machine study route. The project will explain the influence on the fluid dynamics and flotation dynamics characteristics by the large self-aeration flotation machine spatial structure relationship, and construct the spatial structure and flotation dynamics characteristics relationship model, which contribute to guiding the self-aeration flotation machine scale-up and optimization.

自吸气浮选机大型化过程中空间结构关系的急剧变化同保持优异的浮选动力学分选环境间的矛盾日益突出，严重制约了我国大型自吸气浮选机高效应用。而阐明空间结构关系对浮选动力特性的影响不能再寻求借助以相似放大和工程积累为核心的技术路线，亟需理论创新指导工程实践。项目将厘清空气卷吸效应的微观机理和CFD模型构建作为出发点和突破口。采用实验流体力学和计算流体力学相结合的方法，进一步阐明卷吸过程特征与气泡特征及其分布等气液分散特性的作用机理。阐释多相流态下气液分散和搅拌混合间的内在联系。基于CFD方法厘清自吸气浮选机流体动力学特征同碰撞概率、浮选速率常数等浮选动力学特征间的协同机制，形成CFD方法研究、优化自吸气浮选机的技术路线。阐明大型自吸气浮选机空间结构关系对流体动力学和浮选动力学特征的影响规律，构建空间结构关系与浮选动力学特征关系模型，为我国自吸气浮选机的放大和优化提供理论指导。

自吸气浮选机具备空气自吸能力在简化浮选流程配置，降低能耗等方面具有显著优势。近年来，自吸气浮选机的发展滞后于充气式浮选机。空气卷吸机理不明晰、核心搅拌系统的空间结构关系的非线性放大，使得自吸气浮选机的研究和优化更为复杂。项目采用实验流体力学和计算流体力学方法，从微观流场特征和宏观动力学性能参数开展研究。利用可视化方法研究空气卷吸过程。发现了卷吸涡流结构受插入深度等关键因素影响，在不匹配空间结构关系下会发生液面失稳。基于流体域分区网格化，附加空气域和边界条件等一系列探索，建立了自吸气浮选机仿真方法。CFD描述了涡流结构中的局部湍流性质、压力分布和气液界面特征。系统探究了多相流模型和湍流模型等对浮选机流体动力学特性的影响，确定了SST湍流模型，曳力模型系数为4，气泡直径1.2mm。利用功耗和吸气量等试验数据的优化修正，CFD预测结果与实验数据能够较好吻合，形成自吸气浮选机的仿真模型。CFD预测了浮选机内优异的气液分散特性和搅拌混合特性。引入浮选动力学气泡颗粒碰撞矿化理论，在分析了槽体内的湍流耗散率分布和速度场分布的基础上，揭示了槽体内的碰撞概率。研究确定了插入深度、浸没深度、调节半环半径间隙和叶轮转速等空间结构参数是自吸气浮选机动力学性能的关键影响因素。建立了大型自吸气浮选机的CFD仿真方法，实现了320m3自吸气浮选机的流体动力学优化。开展了320m3自吸气浮选机清水动力学研究，建立关键空间结构参数、运转参数和性能参数之间的关系。形成了以CFD和实验流体力学方法为基础的自吸气浮选机研究优化开发路线，优化提出了自吸气浮选机的新型搅拌系统，推动了我国容积最大的320m3自吸气浮选机矿浆试验研究。项目加深了对自吸气浮选机的认识，对大型自吸气浮选机的优化设计具有重要的指导意义。