基于CFD-DEM耦合的颗粒在螺旋溜槽中的运动行为模拟研究

随着计算机技术和数值算法的不断发展，通过数值模拟手段研究矿物分选过程逐渐成为矿物加工领域的重要研究方向。本研究应用计算流体力学（CFD）和离散元（DEM）耦合的数值模拟方法，从微观角度对颗粒在螺旋溜槽中的运动行为进行模拟研究，探讨其在螺旋溜槽分选空间的运动规律及其影响因素，建立螺旋溜槽分选数值模型，并通过颗粒分离试验结果对分选数值模型进行验证，在此基础上借助于数值模拟二次开发对模拟过程及分选数值模型进行优化控制，以提高模拟研究的可靠性和精确度。本研究旨在推进矿物分选从以常规条件试验研究为主向以数值试验研究为主甚至虚拟现实转变，改变某些变量对分选过程的影响仅限于定性分析的状况，为对其进行定量描述创造条件。研究将围绕螺旋溜槽流场数值模拟、颗粒运动行为数值模拟及分选数值模型的验证与优化逐步展开，着重探讨不同变量对颗粒运动行为的协同作用，为更好地发挥复合力场分选的独特优势奠定基础。

本项目首先采用k-ε湍流模型和VOF多相流模型对螺旋溜槽流场进行数值模拟，查明了其流场分布特征以及螺距和给矿流量对流场参数的影响，继而在流场模拟的基础上，通过离散相耦合等方法模拟了固体颗粒在螺旋溜槽中的运动行为，并探讨了螺距、给矿条件和颗粒性质对颗粒分选行为的影响规律。为了检验数值模拟结果的可靠性和精确度，借助于流场实测结果和纯矿物分离结果对数值模拟结果进行验证。研究结果表明，螺旋溜槽中的水相流速呈明显的条带状分布，其速度值沿槽深方向逐渐升高；湍动能在径向上以类似于椭圆环状分布，外缘的紊流度从上至下逐渐升高；在相同的流场条件下，颗粒运动速度极值与其密度大小呈负相关；螺距增大后，水层厚度不变，而水相流速和湍动能相应增加，颗粒运动速度也明显增加，有利于加速粒群的分带和分选；给矿流量对水层厚度、流速和湍动能的大小均具有明显影响，但对它们的分布特征影响较小，而颗粒运动的随机性与该因素呈正相关，即流量增大会导致粒群分带延迟，不利于分选；数值模拟不仅可以准确描述参数的定性影响规律，还可以获得定量的产率指标，且预测指标与实际指标吻合良好，因此数值模拟手段具有很高的可靠性和精确性。项目研究结果为深入开展矿物分选数值试验奠定了良好基础，为进一步降低选矿试验成本和研发周期创造了有利条件。另外，结合项目实施所形成的研究策略、流场测速系统等也为相似研究提供了参考。迄今，在学术期刊和国际学术会议上发表学术论文8篇。