旋流－靜態(tài)微泡浮選柱旋流流場(chǎng)的數(shù)值模擬與試驗(yàn)測(cè)量

閆小康，劉　煜，張秀寶

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇徐州　221116)

?

旋流－靜態(tài)微泡浮選柱旋流流場(chǎng)的數(shù)值模擬與試驗(yàn)測(cè)量

閆小康，劉煜，張秀寶

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇徐州221116)

摘要:針對(duì)旋流－靜態(tài)微泡浮選柱進(jìn)行了氣－液兩相流非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，分析了旋流單元的流動(dòng)特征及礦化方式，然后采用2臺(tái)高速動(dòng)態(tài)攝像機(jī)連用的方法，進(jìn)行了氣泡、顆粒在旋流流場(chǎng)下的三維運(yùn)動(dòng)軌跡及碰撞行為的測(cè)量，得出了與數(shù)值模擬相一致的結(jié)論。主要結(jié)論如下:在旋流單元，氣、液兩相的流動(dòng)均以切向運(yùn)動(dòng)為主，錐上區(qū)域具有向心和向上的趨勢(shì)，錐內(nèi)區(qū)域具有離心趨勢(shì)，錐下區(qū)域液相旋流向下運(yùn)動(dòng);氣、液兩相具有軸向和徑向速度差，切向速度雖然不具有明顯相間速度差，但其在徑向上的梯度極高;錐內(nèi)區(qū)域氣含率最高，在10%～13%，錐下區(qū)域氣含率小于1%。旋流單元的分選作用以分離尾礦和分選中等粒級(jí)礦物為主，氣泡與顆粒的礦化方式體現(xiàn)為繞軸心旋轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生的軸向與徑向的“逆流碰撞”，錐下區(qū)域不具備礦化條件，旋流強(qiáng)度是影響該單元分選和分離效率的重要因素。

關(guān)鍵詞:旋流－靜態(tài)微泡浮選柱;旋流流場(chǎng);分選機(jī)理;流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬;高速動(dòng)態(tài)攝像;三維軌跡

閆小康，劉煜，張秀寶．旋流－靜態(tài)微泡浮選柱旋流流場(chǎng)的數(shù)值模擬與試驗(yàn)測(cè)量［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2016，41(6):1560－1567．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2016．0398

Yan Xiaokang，Liu Yu，Zhang Xiubao．Numerical simulation and experimental measurement on the cyclonic flow field of a cyclonic-static micro-bubble flotation column［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1560－1567．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2016．0398

旋流－靜態(tài)微泡浮選柱以其分選粒度細(xì)、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)已在選煤和選礦上投入工業(yè)應(yīng)用，其獨(dú)特的過(guò)程原理及應(yīng)用的廣泛性使之廣泛應(yīng)用于金屬及非金屬礦物的分選［1－2］。該設(shè)備由柱選段、管流段及旋流段組成，將逆流、旋流、管流等多種不同的流態(tài)集成在一個(gè)柱體中去適配浮選過(guò)程中礦物可浮性的變化，是其能夠取得較好分選性能的主要原因。其柱選段內(nèi)部以簡(jiǎn)單的逆流流態(tài)為主，文獻(xiàn)［3－5］早在2005年就開(kāi)始研究其內(nèi)的篩板結(jié)構(gòu)對(duì)速度場(chǎng)、氣含率以及煤泥分選效果的影響。管流段以其高氣含率和高紊流實(shí)現(xiàn)對(duì)最難浮礦物的回收，李琳［6］、廖寅飛［7］、閆小康［8］、王利軍［9］等進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)其分選機(jī)理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了建議。另外，程敢［10］、公茂明［11］、閆小康［12］等采用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)針對(duì)整個(gè)柱體進(jìn)行了流體動(dòng)力學(xué)分析，研究側(cè)重整個(gè)柱體內(nèi)部的流態(tài)銜接以及計(jì)算模型等方面的選取。針對(duì)旋流單元的報(bào)道較少，劉炯天院士于2000年［13］在該浮選柱發(fā)明之初進(jìn)行過(guò)理論分析及選礦試驗(yàn)研究，為設(shè)備的發(fā)展及應(yīng)用奠定了重要理論及技術(shù)基礎(chǔ)，一直到2013年文獻(xiàn)［14］在研究分選過(guò)程的多流態(tài)梯級(jí)強(qiáng)化機(jī)制的背景下討論了旋流單元的流動(dòng)特征，對(duì)分選機(jī)理進(jìn)行了定性推測(cè)，但是缺少實(shí)驗(yàn)支撐，對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)意義有限，2015年文獻(xiàn)［15］通過(guò)單相流場(chǎng)計(jì)算及PIV測(cè)量研究了旋流倒錐的錐角對(duì)流場(chǎng)的影響規(guī)律，提出了最佳錐角的范圍，但對(duì)其分選機(jī)理未做研究。鑒于該單元引入了旋流力場(chǎng)，無(wú)論從流體動(dòng)力學(xué)角度還是浮選動(dòng)力學(xué)角度，都對(duì)旋流－靜態(tài)微泡浮選柱的浮選體系起著重要作用。因此，本文將在針對(duì)旋流單元進(jìn)行較為系統(tǒng)和深入地研究。

首先采用CFD多相流數(shù)值模擬技術(shù)，通過(guò)對(duì)整個(gè)浮選柱氣－液兩相數(shù)值模擬，得出完整的流場(chǎng)信息，重點(diǎn)針對(duì)旋流單元，分析其氣－液兩相的速度變化規(guī)律，間接探討在該單元的礦化方式;再使用2臺(tái)高速動(dòng)態(tài)攝像機(jī)搭配顯微鏡頭對(duì)氣泡和礦物顆粒，在旋流單元內(nèi)的三維運(yùn)動(dòng)軌跡及碰撞行為進(jìn)行分析，最終確定其分選機(jī)理及影響因素，為設(shè)備的改進(jìn)和性能提高提供理論依據(jù)，研究對(duì)類(lèi)似旋流分選設(shè)備均有借鑒意義。

1　流體力學(xué)數(shù)值模擬

1.1幾何模型

根據(jù)工業(yè)應(yīng)用的直徑1 m浮選柱實(shí)體建立幾何模型，三維計(jì)算域，如圖1所示，主要組成包括給料裝置、循環(huán)礦漿分配環(huán)、氣體進(jìn)口、氣泡發(fā)生器、管流段、中部旋流倒錐(或稱“中錐”)，底部旋流蓋板、底部倒錐(或稱“尾錐”)、中礦進(jìn)口、中礦出口和尾礦出口，氣泡發(fā)生器和礦化管布置4根，中礦進(jìn)口與出口之間連接中礦循環(huán)泵，柱選段內(nèi)設(shè)有充填物。

圖1　旋流－靜態(tài)微泡浮選柱計(jì)算域幾何模型Fig.1　Geometry of a cyclonic-static micro-bubble floatation column

網(wǎng)格劃分借助GAMBIT軟件完成，對(duì)計(jì)算域劃分了粗細(xì)程度不同的非結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格，進(jìn)行網(wǎng)格依賴性檢查后，在兼顧計(jì)算準(zhǔn)確性和計(jì)算成本的情況下，網(wǎng)格數(shù)量最終為268 237個(gè)。

1.2邊界條件及物性

鑒于在該浮選柱的工程應(yīng)用中，入浮礦物顆粒的粒度大部分小于74 μm，對(duì)水的跟隨性極好，且在進(jìn)入柱體之前經(jīng)攪拌槽混合均勻，因此氣－液－固三相浮選體系可以簡(jiǎn)化為氣－液兩相。

模擬中使用介質(zhì)為常溫水及空氣。氣泡直徑設(shè)為1 mm，不兼并、不破裂。由于外置氣泡發(fā)生器的粉碎作用，氣泡直徑大部分在1 mm左右，并且在起泡劑作用下更為穩(wěn)定，氣泡破裂、兼并不占主導(dǎo)，故該假設(shè)是合理的。另外，從現(xiàn)有文獻(xiàn)［16－17］來(lái)看，在計(jì)算高氣含率(＞30%)，大氣泡直徑(＞3 mm)流場(chǎng)時(shí)需考慮氣泡的兼并破碎，大多數(shù)氣液兩相流計(jì)算文獻(xiàn)［18－20］并未考慮氣泡間的相互作用。因?yàn)槟M沒(méi)有納入固相，因此不考慮精礦浮出。充填段采用多孔介質(zhì)模型模擬。邊界條件以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為依據(jù)，條件類(lèi)型及具體數(shù)值見(jiàn)表1。

表1　邊界條件設(shè)置Table 1　Boundary conditions

1.3計(jì)算模型

對(duì)于氣－液兩相流，大量研究已經(jīng)表明，歐拉－歐拉模型是最適合的計(jì)算模型［21－24］，例如，Peter Spicka等［24］使用歐拉－歐拉方法對(duì)其建立的鼓泡塔模型進(jìn)行了計(jì)算，并使用氣泡圖像測(cè)速儀和激光多普勒測(cè)速儀分別對(duì)氣相和液相速度進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。Hector R［23］證明了借助商業(yè)軟件Fluent中的基于歐拉－歐拉方法的歐拉模型計(jì)算氣泡柱能得到準(zhǔn)確的結(jié)果，因此本文采用歐拉－歐拉雙流體模型來(lái)計(jì)算氣液兩相流。另使用標(biāo)準(zhǔn)k－ε雙方程湍流模型計(jì)算兩相湍流，使用適合于計(jì)算氣泡流動(dòng)的Universal曳力模型計(jì)算相間曳力。各控制方程和本構(gòu)方程具體形式可參照文獻(xiàn)［25］。

模擬在CFD商用軟件Fluent平臺(tái)上進(jìn)行，求解采用相SIMPLE算法計(jì)算壓力－速度耦合，二階迎風(fēng)格式離散控制方程，采用非穩(wěn)態(tài)求解器，求解過(guò)程中步長(zhǎng)最小0.000 1 s，最大0.001 s，計(jì)算在100 s左右達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)，取后20 s的時(shí)均流場(chǎng)作為最終流場(chǎng)。

1.4計(jì)算結(jié)果與分析

圖2為浮選柱整體流線，圖2(a)為液相流線，圖2(b)為氣相流線，旋流單元內(nèi)部，氣、液兩相的流動(dòng)均以切向運(yùn)動(dòng)為主，錐上區(qū)域氣相流動(dòng)具有向心和向上的趨勢(shì)，錐下區(qū)域液相旋流向下運(yùn)動(dòng)。

圖2　浮選柱氣液兩相流線Fig.2　Stream line of gas-water two phase flow in floatation column

圖3顯示了軸截面上氣含率的分布。從數(shù)值上看，旋流切向進(jìn)口與充填段之間的旋流區(qū)域氣體分布量較多，氣含率值7%～13%，其中中部旋流倒錐錐內(nèi)區(qū)域高于10%，錐下區(qū)域氣含率低于1%;柱選段的氣體分布最不均勻，氣泡沿徑向從軸心區(qū)域到壁面氣含率從13%降低至1%。

圖3　氣含率分布Fig.3　Gas holdup distribution

1.4.1旋流單元流動(dòng)特征

旋流單元定義為充填以下、底部倒錐以上的柱體區(qū)域。提取該區(qū)3個(gè)特征面，如圖2(a)所示，分別是z=1.25 m(位于切向入口至充填段的中間位置)，z= 0.93 m(旋流切向入口的軸向位置)和z=0.5 m(旋流切向入口至底部倒錐的中間位置)，繪制流動(dòng)軌跡置于圖4，圖5從顯示了不同高度上各分速度的大小及分布趨勢(shì)的相間差異。

圖4　旋流段特征面流線Fig.4　Stream line of representive plane in cyclone unit

圖5　氣液兩相各分速度沿徑向變化曲線Fig.5　Liquid and gas velocity variation in radius

觀察氣液兩相的分速度沿徑向的分布趨勢(shì)，①?gòu)臄?shù)值上看，切向速度最高，沿徑向數(shù)值從0遞增到0.8 m/s，軸向和徑向速度均低于0.1 m/s;②從運(yùn)動(dòng)方向(體現(xiàn)在數(shù)值的正負(fù))來(lái)看，氣液兩相的軸向速度方向相反，切向速度方向相同，徑向速度在錐內(nèi)區(qū)域以離心為主(z=0.93 m)，在錐上區(qū)域以向心為主(z=1.25 m，由于倒錐結(jié)構(gòu)帶來(lái)的“溢流”效應(yīng)引起，由圖3和圖2(b)也可看出氣相的向心趨勢(shì));③從兩相速度差來(lái)看，軸向速度差明顯，切向速度數(shù)值大小幾乎相同，徑向速度存在微弱速度差，且液相的徑向速度絕對(duì)值低于氣相，表明在該位置處，在向心運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，氣相向中心匯聚的速度較液相稍快;④ z= 1.25 m處切向速度梯度在半徑上并非一定值，大半徑處的梯度與內(nèi)部相比可以非常小，這是由于受旋流倒錐影響，類(lèi)似于旋流器，在徑向上的流動(dòng)受制于“強(qiáng)制渦”和“自由渦”兩種不同性質(zhì)的渦控制所致。

對(duì)于中部旋流倒錐以下區(qū)域，由圖2(a)可知，流動(dòng)仍以切向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主，流體脫離倒錐后，流道突然變大，徑向上轉(zhuǎn)為離心運(yùn)動(dòng)，隨著離底部倒錐和循環(huán)泵越來(lái)越近，抽吸作用越來(lái)越明顯，離心運(yùn)動(dòng)將會(huì)又轉(zhuǎn)為向心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

1.4.2分選機(jī)理討論

(1)分離作用。

在錐內(nèi)區(qū)域運(yùn)動(dòng)的礦粒在高速切向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，受離心力作用，非目的礦物和粒度超出分選上限的目的礦物由于較高的密度一進(jìn)入錐內(nèi)區(qū)域就運(yùn)動(dòng)至大半徑位置處，下行進(jìn)入尾錐外層由尾礦口排出，剩余部分礦物則作向心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，向尾錐內(nèi)部匯聚進(jìn)入中礦再循環(huán)。

尾錐的錐角和軸向位置將會(huì)影響到徑向速度的分布規(guī)律，如果錐角過(guò)大或者與中錐之間的軸向距離過(guò)小，則有可能將大半徑處的尾礦吸入到錐內(nèi)區(qū)域參與中礦再循環(huán)，給后續(xù)分選環(huán)節(jié)帶來(lái)壓力;如果錐角過(guò)小或者與中錐之間軸向距離過(guò)大，則會(huì)使部分中礦被甩尾，造成資源浪費(fèi)。

(2)分選作用。

由氣含率分布(圖3)可知，中錐以下區(qū)域氣含率極低，因此礦化主要發(fā)生在中錐及以上區(qū)域。速度差是發(fā)生碰撞的必要條件。根據(jù)圖5中計(jì)算的軸向、徑向和切向上氣液兩相速度分布，分析如下。

氣液兩相的軸向速度方向相反，具有明顯的速度差，表明在旋流單元?dú)馀莺偷V粒間發(fā)生軸向逆流礦化。

徑向速度上氣液兩相雖然只呈現(xiàn)微小的差值，由于真實(shí)礦粒的密度一般都比水大，如果納入礦?？紤]，高切向入流將會(huì)帶來(lái)柱體內(nèi)部礦漿的同步旋轉(zhuǎn)，在離心力的驅(qū)使下，中等粒徑礦物會(huì)被帶動(dòng)做離心運(yùn)動(dòng)，與向心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的氣泡發(fā)生碰撞。文獻(xiàn)［26］指出，離心力場(chǎng)中氣泡與礦粒的相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)速度由下式計(jì)算。

其中，rb和rp分別為氣泡和礦粒的半徑;ω為礦粒和流體的旋轉(zhuǎn)角速度;r為旋轉(zhuǎn)半徑，可見(jiàn)旋轉(zhuǎn)角速度或旋流強(qiáng)度是決定徑向上逆流礦化的主要因素。除了旋流強(qiáng)度，中部旋流倒錐的結(jié)構(gòu)，由于其錐角影響切向速度、徑向速度的大小及分布，以及“強(qiáng)制渦”與“自由渦”控制區(qū)的比例，因而對(duì)分選效果起著非常重要的作用。

另外，微細(xì)粒礦物動(dòng)量小，難以與氣泡發(fā)生碰撞或者在碰撞過(guò)程中難以突破氣泡表面能量壁壘而發(fā)生粘附;對(duì)于粒度較大的目的礦物，在一進(jìn)入內(nèi)錐就在半徑較大處被分離而下行，因此錐內(nèi)區(qū)域?qū)Υ至＜?jí)礦物和微細(xì)粒級(jí)礦物的礦化能力有限。

可見(jiàn)，旋流單元主要起著分離尾礦和分選中等粒級(jí)礦物的作用，氣泡與顆粒的礦化方式體現(xiàn)為繞軸心旋轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生軸向與徑向的“逆流碰撞”。在中錐以下區(qū)域以中礦和尾礦的分離為主，沒(méi)有礦化作用。

2　三維高速動(dòng)態(tài)顯微測(cè)量

前文通過(guò)研究該單元?dú)庖簝上嗟乃俣茸兓?，?duì)碰撞方式進(jìn)行了推測(cè)，本節(jié)利用高速動(dòng)態(tài)顯微測(cè)量技術(shù)對(duì)顆粒與氣泡的碰撞行為進(jìn)行測(cè)量。

2.1高速動(dòng)態(tài)三維測(cè)量技術(shù)

高速動(dòng)態(tài)攝像技術(shù)與一般攝影最根本的區(qū)別在于它具有極高的時(shí)間分辨率與空間分辨率，能跟蹤快速變化過(guò)程的發(fā)生和發(fā)展并記錄下來(lái)，通過(guò)圖像處理獲得追蹤粒子的運(yùn)動(dòng)速度及軌跡。

對(duì)于拍攝旋流環(huán)境下顆粒和氣泡的運(yùn)動(dòng)而言需要注意，拍攝對(duì)象尺度非常小(粒徑在毫米級(jí)以下)，需要高分辨率來(lái)進(jìn)行識(shí)別，使得拍攝范圍不能過(guò)大，因此需要對(duì)原浮選柱進(jìn)行縮制，另還需在高速攝像機(jī)上配備微距鏡頭來(lái)確保拍攝有效性;無(wú)論是顆粒還是氣泡在旋流、柱狀流場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)都具有較強(qiáng)的三維特性，受景深限制，單臺(tái)攝像機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)三維軌跡的測(cè)量，尤其觀測(cè)氣泡和顆粒的碰撞時(shí)，使用一臺(tái)攝像機(jī)觀測(cè)到的“碰撞”有可能只是兩者在觀測(cè)方向上不同深度處的“重合”，對(duì)此設(shè)計(jì)了2臺(tái)高速攝像機(jī)連用的測(cè)量方法。

需要提到的是，在應(yīng)用高速攝像技術(shù)進(jìn)行測(cè)量微粒運(yùn)動(dòng)觀測(cè)的文獻(xiàn)中，大多采用的是使用單臺(tái)高速攝像機(jī)測(cè)試“二維”空間的運(yùn)動(dòng)，例如文獻(xiàn)［27－29］利用單臺(tái)高速攝像機(jī)研究了窄邊流化床內(nèi)固體顆粒的運(yùn)動(dòng)特性研究，或是和平面鏡結(jié)合間接測(cè)量，在使用多臺(tái)高速攝像機(jī)同時(shí)測(cè)量三維的空間運(yùn)動(dòng)方面，可見(jiàn)文獻(xiàn)非常少，而且是針對(duì)宏觀大尺度物體的測(cè)量，例如文獻(xiàn)［30］使用2臺(tái)攝像機(jī)從不同角度記錄了大型支架坍塌的三維空間過(guò)程。

2.2測(cè)試平臺(tái)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由旋流浮選柱裝置和高速攝像系統(tǒng)兩部分組成，如圖6所示。2臺(tái)攝像機(jī)布置在同一水平位置且互相垂直，同步控制器用以控制兩部攝像機(jī)同時(shí)觸發(fā)。首先利用專(zhuān)業(yè)高速動(dòng)態(tài)分析軟件對(duì)采集視頻進(jìn)行標(biāo)定，完成對(duì)系統(tǒng)三維坐標(biāo)的定義及坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，然后分別使用2臺(tái)高速動(dòng)態(tài)攝像機(jī)采集視頻，再將視頻輸入到計(jì)算機(jī)中，利用分析軟件進(jìn)行單獨(dú)二維運(yùn)動(dòng)軌跡的追蹤，最后將兩段軌跡在已定義的三維坐標(biāo)空間下合成為三維軌跡。

圖6　高速動(dòng)態(tài)顯微測(cè)試系統(tǒng)示意Fig.6　High-speed dynamic microscopic test system diagram

高速動(dòng)態(tài)攝像機(jī)型號(hào)均為OLYMPUS i-SPEED3，圖像處理使用ProAnalyst高速運(yùn)動(dòng)分析軟件，試驗(yàn)中圖片采集速率設(shè)置為500 fps。

浮選柱旋流裝置采用無(wú)色透明玻璃制作，直徑為50 mm，柱選段不設(shè)充填。在裝置外制作矩形光學(xué)補(bǔ)償盒以減少柱面折射。裝置底部設(shè)循環(huán)管路，與倒錐段通過(guò)循環(huán)泵連接，倒錐進(jìn)口設(shè)置三通管，利用氣體注射泵注入氣泡，顆粒由裝置上部給入。

2.3試驗(yàn)結(jié)果與討論

取柱體中心軸線為z軸，向上為正。測(cè)試中跟蹤直徑1 mm左右的氣泡，顆粒取直徑0.50 mm± 0.25 mm、密度為2.65 g/cm3具有一定疏水性的球形染色玻璃珠，循環(huán)水流量為1.5 L/min，試驗(yàn)用水為去離子水。圖7顯示了2臺(tái)高速攝像機(jī)從相互垂直的兩個(gè)方向記錄的二維軌跡，圖8為處理合成的三維軌跡?？梢?jiàn)顆粒和氣泡發(fā)生碰撞并粘附后繼續(xù)向上螺旋運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)特征具有明顯的向心趨勢(shì)，切向速度占主導(dǎo)作用，與圖2分析結(jié)果一致。

圖7　氣泡、顆粒運(yùn)動(dòng)二維軌跡Fig.7　Two dimensional pathline of bubble and particle

為了研究氣泡和顆粒的碰撞方式，根據(jù)發(fā)生礦化的氣泡與顆粒運(yùn)動(dòng)的三維坐標(biāo)信息，繪制了氣泡與顆粒在旋流流場(chǎng)發(fā)生碰撞前后，各自的軸向升浮高度和運(yùn)動(dòng)半徑隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖9所示。

圖8　氣泡、顆粒運(yùn)動(dòng)三維軌跡Fig.8　Three dimensional pathline of bubble and particle

圖9　氣泡、顆粒軸向升浮高度與運(yùn)動(dòng)半徑隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.9　Variation of rising height＆radius of particle and bubble with time

顆粒和氣泡在0.225 s左右發(fā)生碰撞，碰撞后兩者軌跡相同，碰撞之前氣泡軸向升浮高度升高、運(yùn)動(dòng)半徑減小，而顆粒運(yùn)動(dòng)半徑增大，軸向高度略有降低，說(shuō)明在碰撞的瞬間，氣泡做向上、向心的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與做離心運(yùn)動(dòng)的顆粒發(fā)生碰撞，與1.4.2節(jié)分析所得的兩者在繞軸心旋轉(zhuǎn)中將發(fā)生徑向和軸向的“逆流碰撞”結(jié)論一致。

3　結(jié)　　論

(1)旋流單元內(nèi)部，在設(shè)計(jì)工況下，氣、液兩相的流動(dòng)均以切向運(yùn)動(dòng)為主，錐上區(qū)域具有向心和向上的趨勢(shì)，錐內(nèi)區(qū)域具有離心趨勢(shì)，錐下區(qū)域液相旋流向下運(yùn)動(dòng);氣、液兩相具有軸向和徑向速度差，切向速度不具有明顯相間速度差，但其在徑向上的梯度極高并且受“強(qiáng)制渦”與“自由渦”影響，在半徑上梯度變化不同;錐內(nèi)區(qū)域氣含率最高，在10%～13%，錐下區(qū)域氣含率小于1%。

(2)分選作用以分離尾礦和分選中等粒級(jí)礦物為主，氣泡與顆粒的礦化方式體現(xiàn)為繞軸心旋轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生的軸向與徑向的“逆流碰撞”，錐下區(qū)域不具備礦化條件。

(3)旋流強(qiáng)度是影響該單元分選和分離效率的重要因素。中部旋流倒錐影響速度的大小及分布，以及“強(qiáng)制渦”與“自由渦”控制區(qū)的比例，尾部倒錐的錐角及軸向距離對(duì)尾礦的有效分離起重要作用。

致謝:感謝上海西努光學(xué)公司在使用2臺(tái)OLYMBUS高速攝像機(jī)連用進(jìn)行三維軌跡測(cè)量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面提供的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn):

［1］Zhang Haijun，Liu Jiongtian，Wang Yongtian，et al．Cyclonic-static micro-bubble flotation column［J］．Minerals Engineering，2013，45:1－3．

［2］Liu Jiongtian．Cyclonic-static micro-bubble floatation apparatus and method［P］．United States Patent:6073775，2000－06－13．

［3］Liu Jiongtian，Zhang Min，Li Yanfeng，et al．Research on pressure drop performance of the packing-flotation column［J］．Journal of China University of Mining and Technology，2006，16(4):389－392．

［4］張敏，劉炯天．篩板充填浮選柱的氣泡行為及其影響因素［J］．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，34(6):88－91．Zhang Min，Liu Jiongtian．Bubble behaviors and influencing factors of the sieved-flotation column［J］．Journal of China University of Mining＆Technology，2005，34(6):88－91．

［5］劉炯天，張敏，劉煥彬，等．篩板充填浮選柱浮選流體的速度場(chǎng)分布［J］．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，36(5):578－581．Liu Jiongtian，Zhang Min，Liu Huanbin，et al．Velocity field distribution of flotation fluid in the sieved-flotation column［J］．Journal of China University of Mining＆Technology，2007，36(5):578－581．

［6］Li Lin，Liu Jiongtian，Wang Lijun，et al．Numerical simulation of a self-absorbing microbubble generator for a cyclonic-static microbubble flotation column［J］．Mining Science and Technology(China)，2010，20(1):88－92．

［7］廖寅飛，劉炯天，李樹(shù)磊．管段高紊流強(qiáng)化煤泥柱浮選的應(yīng)用及作用機(jī)理［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2014，39(3):549－553．Liao Yinfei，Liu Jiongtian，Li Shulei．Application and affect mechanism of high turbulence in pipe unit enhancing coal column flotation ［J］．Journal of China Coal Society，2014，39(3):549－553．

［8］閆小康，劉炯天，周長(zhǎng)春．旋流－靜態(tài)浮選柱管流段的兩相流數(shù)值模擬［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(3):506－510．Yan Xiaokang，Liu Jiongtian，Zhou Changchun．Two-phase numerical simulation on the pipe flow unit of cyclonic-static micro bubble flotation column［J］．Journal of China Coal Society，2012，37(3):506－510．

［9］Wang Lijun，Jia Yan，Yan Xiaokang，et al．Gas-liquid numerical simulation on micro-bubble generator and optimization on the nozzle-to-throat spacing［J］．Asia-Pacific Journal of Chemical Engineering，2015，10(6):18－27．

［10］程敢．浮選柱的多流態(tài)過(guò)程及其分選動(dòng)力學(xué)［D］．北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，2014:29－63．Cheng Gan．Multi-flow process and separation dynamics of flotation column［D］．Beijing:China University of Mining and Technology(Beijing)，2014:29－63．

［11］Gong Maoming，Li Chunshan，Li Zengxi．Numerical analysis of flow in a highly efficient flotation column［J］．Asia-Pacific Journal of Chemical Engineering，2015，10(1):84－95．

［12］Yan Xiaokang，Liu Jiongtian，Cao Yijun，et al．A single-phase turbulent flow numerical simulation of a cyclonic-static micro bubble flotation column［J］．International Journal of Mining Science and Technology，2012，22(1):95－100．

［13］劉炯天．旋流—靜態(tài)微泡柱分選方法及應(yīng)用(之四)旋流力場(chǎng)分離與強(qiáng)化回收機(jī)制［J］．選煤技術(shù)，2000(4):1－4．

［14］閆小康．柱式分選的多流態(tài)過(guò)程模擬及其流體動(dòng)力學(xué)研究［D］．徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2013:45－60．Yan Xiaokang．Multi-flow process simulation and fluid dynamics research on column flotation［D］．Xuzhou:China University of Mining and Technology，2013:45－60．

［15］Wang Ai，Yan Xiaokang，Wang Lijun，et al．Effect of cone angles on single-phase flow of a laboratory cyclonic-static micro-bubble flotation column:PIV measurement and CFD simulations［J］．Separation and Purification Technology，2015，149:308－314．

［16］Buffo A，Vanni M，Marchisi D L．Multidimensional population balance model for the simulation of turbulent gas-liquid systems in stirred tank reactors［J］．Chemical Engineering Science，2012，70: 31－44．

［17］Syed Ubaid Ahmed，Panneerselvam Ranganathan，Ashok Pandey，et al．Computational fluid dynamics modeling of gas dispersion in multi impeller bioreactor［J］．Journal of Bioscience and Bioengineering，2010，109(6):588－597．

［18］Robert F Mudde，Oliver Simonin．Two-and three-dimensional simulations of a bubble plume using a two-fluid model［J］．Chemical Engineering Science，1999，54(21):5061－5069．

［19］Jayanta Sanyal，Sergio Vásquez，Shantanu Roy，et al．Numerical simulation of gas-liquid dynamics in cylindrical bubble column reactors［J］．Chemical Engineering Science，1999，54(21):5071－5083．

［20］Pfleger D，Gomes S，Gilbert N，et al．Hydrodynamic simulations of laboratory scale bubble columns fundamental studies of the Eulerian-Eulerian modelling approach［J］．Chemical Engineering Science，1999，54(21):5091－5099．

［21］Becker S，Sokolichin A，Eigenberger G．Gas-liquid flow in bubble columns and loop reactors:Part II．Comparison of detailed experiments and flow simulations［J］．Chemical Engineering Science，1994，49(24):5747－5762．

［23］Hector R Bravo，John S Gulliver，Miki Hondzo．Development of a commercial code-based two-fluid model for bubble plumes［J］．Environmental Modelling＆Software，2007，22(4):536－547．

［24］Peter Spicka，Madalena M Dias，Jose’E Carlos B Lopes．Gas-liquid flow in a 2D column:Comparison between experimental data and CFD modelling［J］．Chemical Engineering Science，2001，56(21): 6367－6383．

［25］Ansys Inc．Ansys Fluent 12．0 documentation［M］．2009．

［26］郭德．離心力場(chǎng)中浮選的先進(jìn)性和缺陷［J］．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，21(6):702－704．Guo De．Study on advantages and defects of floatation in centrifugal force field［J］．Journal of Liaoning Technical University，2002，21(6):702－704．

［27］丁經(jīng)緯．基于高速攝像法的流化床內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)特性研究［D］．杭州:浙江大學(xué)，2003:49－56．

［28］ 李聯(lián)波．旋流噴動(dòng)氣固兩相流場(chǎng)中顆粒運(yùn)動(dòng)行為研究［D］．天津:天津大學(xué)，2006:50－54．Li Lianbo．Particle movement research in rotational spouted gasparticle flow field［D］．Tianjin:Tianjin University，2006:50－54．

［29］楊旭，劉雅寧，余劍，等．微型流化床內(nèi)混合特性的數(shù)值模擬［J］．化工學(xué)報(bào)，2014，65(9):3323－3330．Yang Xu，Liu Yaning，Yu Jian，et al．Numerical simulation of mixing characteristics of trace sample and bed material in micro fluidized bed reaction analyzer［J］．CIESC Jorunal，2014，65(9): 3323－3330．

［30］Liu Xianglei，Tong Xiaohua，Yin Xiaojing，et al．Videogrammetric technique for three-dimensional structural progressive collapse measurement［J］．Measurement，2015，63:87－99．

中圖分類(lèi)號(hào):TD456

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253－9993(2016)06－1560－08

收稿日期:2016－03－02修回日期:2016－05－04責(zé)任編輯:許書(shū)閣

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51404264);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014QNB16)

作者簡(jiǎn)介:閆小康(1981—)，女，山西晉城人，講師，博士。E－mail:xk－yan@cumt．edu．cn

Numerical simulation and experimental measurement on the cyclonic flow field of a cyclonic-static micro-bubble flotation column

YAN Xiao-kang，LIU Yu，ZHANG Xiu-bao
(School of Chemical Engineering and Technology，China University of Mining＆Technology，Xuzhou221116，China)

Abstract:A gas-fluid unsteady numerical simulation was conducted for a large-scale floatation column in this study．Based on the simulation results，the flow field feature of cyclonic unit was analyzed and the mineralization characteristic was discussed in terms of the slip velocity between gas and fluid phase．Then movement of bubble and particle was measured with two high speed cameras．The collision behavior and 3D motion trajectory were obtained，which agrees well with the numerical simulation results．The main conclusions on cyclonic unit are as follows:both gas and liquid phase moves tangentially inside of cyclonic unit，and the movement above the cone has the tendency of centripetal and upward，while the centrifugal trend exists in the cone inner area．Below the cone，the fluid moves downward spirally．There are obvious axial and radial velocity difference at the same location between gas and liquid．Although the tangential velocity looks the same，it presents a high gradient in radial direction．As to the gas holdup，the value remains 10%－13%in the inner area of cone，while lower than 1%below the cone．As an important separation unit，the cyclonic unit undertakes the separation of tailings and the recovery of middle-size minerals．The mineralization behavesas the combination of“countercurrent collision”in axial and radial directions in the swirling process．The area below the cone does not have the condition of mineralization．Swirling intensity dominates the separation efficiency of cyclonic unit．

Key words:cyclonic-static micro-bubble flotation column;cyclonic flow field;separation principle;CFD numerical simulation;high speed camera;three-dimensional trace