JJF浮选机气-液两相流流场特性研究

唐 军 符东成 刘 辉 匡敬忠 于明明 滕瑜崇

（1.江西理工大学机电工程学院，江西 赣州 341000；2.赣南科技学院，江西 赣州 341000；3.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000）

浮选机作为选矿的核心设备，其流场特性对浮选生产效率具有重要影响[1-2]。目前，大多数学者主要围绕KYF型浮选机[3-8]进行研究，对自吸气浮选机研究较少，SALEM-SAID等[9]对Dorr-Oliver浮选机的气-液两相进行数值模拟，探讨了气泡对槽内定子与转子区域流场特性的影响。FAYED H等[10]利用0.8 m3和300 m3的自吸气浮选机功耗等参数确定了自吸气浮选机的瞬时进气量和平均进气量，并借助数学模型模拟得到了气泡-颗粒的碰撞、黏附、脱附过程及分散率和湍动能等参数情况。FAYED H等[11-12]运用新的边界处理模型，分析了不同转速对Wemco浮选机内气-液两相流的空气流速和气泡尺寸大小的影响。张晋霞等[13]建立模拟策略，对槽内气-液两相流场特性进行数值模拟，并分析了浮选机不同表面张力、曳力相间的作用力对流体特征的影响。刘涛等[14]对KYFⅡ-40型浮选机的固-气两相流的流场特性进行数值模拟，得到其速度场、气含率等分布规律。卞宁等[15]对浮选机气-液两相流进行数值模拟，采用Euler-Euler双流体模型可以得到更好的结果。樊学赛等[16]对JJF型浮选机气-液两相流的流场特性进行数值模拟，得到了气含率云图、速度矢量图等，其中得到转子上的最大压力为3.4×104Pa。

综上所述，研究者对浮选机气-液两相流场特性的研究成果较多，主要分析了浮选机内部的流场结构，但对气泡分布均匀性问题的分析较少，气泡作为浮选过程中矿粒的主要载体，其分布均匀性直接影响浮选生产效率。本文通过CFD分析，运用Ansys Fluent求解标准k-ε湍流模型的运输方程，采用Euler-Euler双流体模型对气-液两相流进行数值模拟，探讨JJF-0.2 m3浮选机的速度场、压力场与气含率的分布规律以及气泡分布均匀性。

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1 计算模型及模拟条件

1.1 物理模型

选定JJF-0.2 m3自吸气浮选机作为研究对象，结构如图1，参数见表1。浮选机工作时，空气从吸气口进入，在转子与定子共同作用下，将吸入的空气剪切形成小气泡，再通过分散罩将气泡分散在整个槽体内。

采用SolidWorks对JJF型自吸气浮选机进行三维建模，并对模型进行简化处理，得到的浮选机物理模型如图2所示。

通过AnsysDesignModeler模块对物理模型建立流体域，在Mesh中进行网格划分，其中对分散罩等多孔结构的网格进行细化处理，网格划分结果见图3，网格无关性的检验标准是转子区域某一点流速的变化趋势，网格无关性见表2。可以看出，增加网格数量，转子上某一点的流速随之增加，在网格数量大于9.1×106后，转子上某一点的流速趋于稳定，波动范围在±0.2 m/s之间，考虑计算资源与计算速度问题，因此总网格数量选取9.1×106，网格质量大于0.4，网格质量平均值为0.833。

1.2 数学模型

设气相为i相，液相为j相，自吸气浮选机的质量守恒方程为：

动量守恒方程为：

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式中，A为体积分数，%；ρ为密度，kg/m3；v为速度，m/s；t为时间，s；p为压强，Pa；μ为动力黏度，Pa·s；g为重力加速度，m/s2；F为相间动量交换项，N。

由于标准k-ε湍流模型具有很好的鲁棒性、经济性和可预测性，故采用该模型对JJF型自吸气浮选机进行数值模拟，其形式为：

式中，σk与σε分别是与k和ε对应的 Prandtl数；Cε1、Cε2是经验常数，取值分别为σk=1.0、σε=1.3、Cε1=1.44，Cε2=1.92；Gk为湍动能k的产生项，m2/s2。

1.3 模拟条件

在Ansys Fluent中采用Euler-Euler双流体模型进行数值模拟，假设在模拟过程中水量始终保持不变，水位线上方为空气域，下方为水，且水不从槽体边缘溢出。槽体内初始液位采用Step函数设置，边界条件见表3，空气进出口边界条件设置为标准大气压，转子转速为997 r/min，空气粒径设为0.01 mm，残差收敛精度设置为10-5，时间步长为0.01 s，认为计算到空气进口流量与出口流量平衡时，浮选机处于稳定状态，模拟停止。

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2 试验结果与讨论

2.1 转子转速对气含率的影响

探讨了浮选机在997 r/min、900 r/min、800 r/min、700r/min 4种转子转速下的气含率，其中997r/min为目前试验达到的最高转子转速，竖直截面选取距离槽体中心100 mm和150 mm处，在不同竖直截面下分析不同转子转速对气含率的影响，结果见图4。

由图4可以看出，不同转速下对应的平均气含率变化趋势几乎一致。在位置相同时，提高转子转速，平均气含率值越高，气体体积分数越高，形成的气泡越多。图4（a）中，在447 mm和596 mm处的平均气含率最高，气泡最为集中，其中447 mm为转子与定子对吸入的空气剪切形成小气泡的区域，596 mm为水位线处的区域；图4（b）中，在水位线区域气泡最为集中，转子转速设定为997 r/min。

2.2 速度场分布

浮选机内的速度场能反映浮选性能的优劣。在转子转速为997 r/min时，对浮选机内气相与液相的速度场进行数值模拟，其速度矢量见图5，图6为距离槽体中心100 mm处的气相、液相速度。

从图5、图6可以看出，在100 mm截面处，气液两相的速度基本相同，则浮选机内气相、液相的速度矢量图基本一致，沿中心转轴呈对称式分布。槽内流体与空气被转子“吸入”后形成气液混合流体沿转子上、下两个方向高速射出，部分混合流体作用在定子上返回转子形成循环，部分混合流体沿转子下方流向假底，气液混合流体经过定子孔运动到内壁面时，沿内壁面向上、下两个方向运动。

图5中槽体内存在3个循环流。第一个循环流出现在转子与定子之间，由转子作用形成的气液混合流体发射在定子上再返回转子的过程；第二个主要的循环流出现在转子、定子与槽体内壁面之间，混合流体经过定子孔沿内壁面下方向运动形成的循环过程，此区域内的流体流动形成大范围的涡流；第三个循环流出现在转子的下部与假底之间，混合流体从转子的下部沿着竖筒流向假底，然后循环回转子的下部。分析可知，循环流区域是气泡产生的主要区域，循环流沿中心转轴呈对称式分布，形成大范围的涡流时产生气泡更多，槽内气泡呈对称式产生。

2.3 压力场分布

在转子转速为997 r/min时，对浮选机槽内压力进行数值模拟，得到的模拟结果见图7、图8。

由图7看出，槽内压力主要集中在竖筒和循环筒上，内部存在较大的周向流，其原因是转子在竖筒与循环筒内高速转动，槽体底部也存在一定的压力，其产生原因是由于流体流动。图8为转子压力等值线图，可以看出转子压力较大位置为叶片中部与尖角处，即转子磨损的主要集中部位，转子区域最大压力降低，使用寿命延长。

2.4 气含率分布

气含率是评价浮选机性能的重要指标，其分布情况直接影响气泡矿化的效果，进而影响浮选效率，气含率也能直观表现气泡在浮选机内的分布情况。在转子转速为997 r/min时，对浮选机内气含率的数值模拟云图见图9。

图9表明：吸气口处的气含率最高，分散罩区域及其以上的槽体内气含率较高，槽体中下部的气含率分布较为均匀，浮选机内气泡分布均匀性较好，转子与定子区域的气含率比槽体内壁面处高，在0.32～0.74之间，说明在此区域的气泡在运动过程中与矿浆充分混合，有利于气泡和矿粒间的接触、碰撞和黏附，有利于气泡的矿化，气泡在槽内分布较为均匀。

定义转子底面为h=0 mm，图10为h=0、h=30 mm、h=60 mm、h=90 mm、h=120 mm、h=150 mm上的气含率云图。

由图10可以看出：h=0时，循环筒内基本上没有气体产生；h=30 mm时，转子内的气含率达到一定值，之后随着高度的增加，转子内的气含率快速增加；h=90 mm时，转子内的气含率值达到最大，而后随着高度的增加转子内的气含率逐渐降低；h=150 mm时，即在转子顶面时，转子内的气含率处于较为稳定状态，转子气含率分布均匀且对称。说明转子区域的气含率随着高度的增加而增加，达到最大值后逐渐降低并趋于稳定，达到稳定状态下的气含率分布均匀且对称，气泡分布均匀性好。

3 结 论

（1）通过CFD理论与Euler-Euler双流体模型对JJF-0.2 m3浮选机气-液两相流流场特性进行数值模拟，分析了速度场、压力场与气含率的分布规律对槽内气泡分布均匀性的影响。

（2）提高转子转速、循环流区域形成的气泡较多，在形成大范围涡流区域的气泡产生更多，转子区域的气泡分布均匀性好，转子与定子区域的气泡在运动过程中与矿浆充分混合，有利于气泡和矿粒间的接触、碰撞和黏附，有利于气泡的矿化。

（3）通过对流场特性的模拟，分析了气泡分布均匀性问题，气泡在转子区域分布均匀且对称，但在槽内其他位置分布均匀性较差，还可以外接程序进一步提高模拟结果与槽内真实流场特性的接近程度。