基于浮选-流体动力学耦合的多流态柱式分选过程数值模拟研究

Computational Fluid Dynamics (CFD) is an important tool for investigating the inner flow field of flotation equipment. Due to the lacks of coupling with mineralization reaction calculation, the flow and separation process in flotation can not be simulated accurately. This study will focus on the CFD numerical calculation coupled with the floatation kinetics on the flow and separation process in the Cyclonic-static Micro-bubble Flotation Column. The contents include the following parts: CFD modeling on the gas-liquid-solid flow field of the flow process in this flotation column, in which the effect of fluid flow environments on inter-phase force model selection will be considered ,bubble breakage /coalescent and will be calculated by Population Balance Model. Numerical model building for solving the flow and mineralization process simultaneously by the investigation on the coupling of flotation kinetics and fluid dynamics. Particle Image Velocimetry(PIV) multiphase flow measurements and mineral separation experiments for validation and correction of the CFD coupling model. This project is aimed to supply the theoretical and technical support for the structure optimization, scaling-up and performance improvement of Cyclonic-static Micro-bubble Floatation Column and the other similar floatation equipments.

计算流体动力学（CFD）数值模拟技术是浮选设备内部流动研究的重要手段，目前还不能实现将流动和矿化反应结合起来求解，因此不能全面而准确地模拟矿物分选的流动-分离过程。本课题以旋流-静态微泡浮选柱为研究对象，对其多流态分选过程开展浮选-流体动力学耦合的CFD数值研究，具体内容包括：建立多流态柱式分选过程的气-液-固三相流体动力学模型，模型中考虑流态对相间作用力的影响，并使用群体平衡模型计算气泡的破碎和兼并；基于流体动力学模型，通过研究矿化反应与流场的耦合作用机理，从数学模型和计算方法上实现浮选动力学和流体动力学的耦合，建立可同时求解流动和矿化的计算模型；在FLUENT软件平台上进行模型的求解，并利用PIV多相流测试技术及矿物分选实验对模型进行验证和修正。最终建立可用于该多流态柱式分选流动-分离过程模拟和浮选指标定量预测的数学模型,为设备的优化、放大和性能提升提供理论和技术支撑。

旋流-静态微泡浮选柱在分选贫杂细等难选物料上具有独特的优势，以该多流态柱式分选过程为研究对象，开展了浮选-流体动力学耦合的CFD数值研究。主要包括：（1）开展了多流态柱式分选过程的流场测量及矿物分选实验研究。基于PIV激光测速、高速动态显微测量等技术，搭建了实验规模的多流态过程强化测试及试验系统，进行了复杂流态下的流场测试、微小尺度颗粒与气泡的三维运动规律及相互作用测试；采用三甲基氯硅烷为表面改性剂对玻璃微珠进行了表面改性，改性结果通过红外光谱、接触角和浮选试验进行了验证；分别搭建了逆流、旋流及管流煤泥柱式分选试验平台，通过单元浮选速度试验方法进行了煤泥分选，与数值模拟得出的结果相互佐证，揭示不同流态下的矿化机理及分选特性。（2）建立了多流态柱式分选过程多相流体动力学模型。对实验室浮选柱内部流场实施了大量数值“实验”，通过与PIV及高速动态测量的实验数据进行对比，得出：使用Eulerian-Eulerian-Eulerian多相流模型计算多相流动，高旋流强度下选择RSM湍流模型，低旋流强度下则选择k-e双方程模型计算湍流，使用本研究修正的曳力模型计算气泡运动，使用PBM模型结合Luo-model和Lehr-model计算气泡兼并与破碎，对多流态柱式分选的多相流动过程进行计算，可以取得与实验相一致的计算结果。（3）建立了多流态柱式分选过程浮选-流体动力学耦合数值模型。结合浮选动力学理论，将颗粒被气泡捕获看作矿粒在流场中消失，将颗粒从气泡表面脱附进入到矿浆视为颗粒在流场中生长，建立了矿物颗粒在气泡与水的相间传质输运方程，通过对数值模拟软件进行了二次开发实施了数值模拟，解析了复杂多流态柱式分选过程中气-液-固三相流动及分离过程，与PIV及高速动态测量结果相一致，最后对多流态柱式分选单元中的浮选动力学指标进行了初步预测，计算结果与分选试验一致。研究成果为多流态柱式分选过程浮选性能预测提供了一种新方法，加速了设备研制的高效化，对推进我们低品位资源的开发有重要意义。..