基于流固耦合的給礦波動下的浮選機(jī)振動響應(yīng)實驗性研究

高 軒 ,陳 強(qiáng) ,牛 萌

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司,北京 100160;2.礦物加工科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室,北京 100160;3.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,北京 100083;4.天津市天河計算機(jī)技術(shù)有限公司,天津 300457)

1 浮選機(jī)葉輪耦合特征測試系統(tǒng)

浮選機(jī)為旋轉(zhuǎn)攪拌設(shè)備,葉輪在電機(jī)的帶動下高速旋轉(zhuǎn)攪動礦漿,傳統(tǒng)的有線采集技術(shù)已經(jīng)無法滿足浮選機(jī)測試的需要,嚴(yán)重制約了浮選測試技術(shù)的發(fā)展。隨著智能采集和無線傳輸技術(shù)的發(fā)展,在復(fù)雜的浮選機(jī)內(nèi)部測試葉輪的各項微觀參數(shù)成為可能[1]。

浮選機(jī)應(yīng)用工況復(fù)雜,任何擾動均會導(dǎo)致浮選機(jī)內(nèi)部流場的變化,流場變化進(jìn)而引起葉輪、主軸的一系列響應(yīng)[2-6]。作者通過流固耦合特征測試平臺,從宏觀和微觀兩個角度研究邊界條件發(fā)生變化時流場以及結(jié)構(gòu)場的變化規(guī)律,揭示流固耦合的作用機(jī)制。圖1 為KYF-0.2 浮選機(jī)葉輪的實驗?zāi)Ｐ?1 點到24 點為葉輪表面的檢測點。

圖1 葉輪檢測點設(shè)置

圖2 為給礦波動模擬測試平臺,該平臺采用兩臺蠕動泵,其中一臺作為循環(huán)泵以模擬實際的礦漿循環(huán)流動,另一臺泵作為給礦波動泵以模擬實際的礦漿波動流動。為保證浮選機(jī)液位保持不變,避免液位高度的變化干擾實驗數(shù)據(jù),所有流體在浮選機(jī)與泵之間進(jìn)行循環(huán)流動。單次實驗時間為80 s,給礦波動前計時20 s,第20 s 給礦開始波動,持續(xù)時間20 s,后40 s 為穩(wěn)定時間。

圖2 給礦波動實驗平臺

2 基于給礦波動特征測試系統(tǒng)的流固耦合響應(yīng)分析

根據(jù)浮選機(jī)實際應(yīng)用情況,點1、點4 和點24是現(xiàn)場磨損較嚴(yán)重的位置,因此,作者選取點1、點4和點24 做為實驗檢測點,分別記為P1、P4 和P24,監(jiān)測三點分別在195 r/min、255 r/min、315 r/min 和345 r/min 的轉(zhuǎn)速條件下浮選機(jī)波動給礦20 L/min、30 L/min 和45 L/min 時的壓力情況,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理分析。

2.1 P1 點迎漿面的壓力變化情況

圖3～圖6 為P1 點處迎漿面分別在195 r/min、255 r/min、315 r/min 和345 r/min 的轉(zhuǎn)速條件下的不同給礦波動條件下的壓力變化曲線。

圖3 195 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P1 點壓力變化

圖4 255 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P1 點壓力變化

圖5 315 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P1 點壓力變化

圖6 345 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P1 點壓力變化

對波動前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均,具體數(shù)值如表1 所示。

表1 P1 點迎漿面的給礦波動前后壓力均值kPa

從圖3～圖6 為可以看出,P1 點迎漿面壓力在給礦增加時呈現(xiàn)輕微下降的趨勢。從表1 可以看出,P1 點迎漿面壓力變化幅值與轉(zhuǎn)速的關(guān)系不大,壓力值僅隨給礦波動量的增加而增加。

2.2 P4 點迎漿面的壓力變化情況

圖7～10 為P4 點處迎漿面分別在195 r/min、255 r/min、315 r/min 和345 r/min 的轉(zhuǎn)速條件下的不同給礦波動條件下的壓力變化曲線。

圖7 195 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P4 點壓力變化

圖8 255 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P4 點壓力變化

圖9 315 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P4 點壓力變化

圖10 345 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P4 點壓力變化

對波動前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均,具體數(shù)值如表2 所示。從表中可以看出,給礦量突然增加時,P4 點迎漿面的壓力有下降趨勢,各轉(zhuǎn)速條件下的給礦波動壓力幅值變化均比較小且隨著轉(zhuǎn)速的增高壓力變化幅值沒有明顯增加。在同一轉(zhuǎn)速條件下,波動壓力變化幅值隨著給礦波動量的增加而增加。

表2 P4 點迎漿面的給礦波動前后壓力均值kPa

2.3 P24 點迎漿面的壓力變化情況

圖11～14 為P24 點處迎漿面分別在195 r/min、255 r/min、315 r/min 和345 r/min 的轉(zhuǎn)速條件下的不同給礦波動條件下的壓力變化曲線。

圖11 195 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P24 點壓力變化

圖12 255 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P24 點壓力變化

圖13 315 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P24 點壓力變化

圖14 345 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P24 點壓力變化

對波動前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均,具體數(shù)值如表3 所示。

表3 P24 點迎漿面波動前后壓力均值

從圖11～14 可以看出,在給礦量突然增加時,P24 點迎漿面葉輪表面壓力也會隨之升高。從表3可以看出,該點對給礦波動響應(yīng)迅速,壓力值隨著波動量的增加逐漸增加,壓力值增長范圍在540～1 540 Pa,轉(zhuǎn)速越高,壓力值增加越明顯,在345 r/min 轉(zhuǎn)速和45 L/min 的給礦波動時,該點壓力增長至1 540 Pa,壓力增加顯著。

綜合對比來看,可以得到以下三條結(jié)論。

1)同一轉(zhuǎn)速下,P1 和P4 點迎漿面壓力隨著給礦量的增加而輕微減小,P24 點迎漿面的壓力隨著給礦量的增加而增加。

2)同一給礦量下,P1 點迎漿面的壓力隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加,但是P4 和P24 點迎漿面的壓力隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小。

3)同一轉(zhuǎn)速,同一給礦下,P1 點的壓力最大,P24 壓力值最小。

3 基于CFD 的浮選機(jī)給礦波動下流固耦合振動特性研究

浮選過程是一個十分復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程,目前尚無十分完善的科學(xué)理論予以解釋。就浮選機(jī)而言,利用CFD 可視化方法直觀的揭示浮選機(jī)流固耦合振動機(jī)制是浮選機(jī)基礎(chǔ)研究的重要方面。因此,本文研究了浮選機(jī)全流場流動特征和流固耦合機(jī)制,對流場波動所引起的結(jié)構(gòu)場變化進(jìn)行了一系列分析,對流固耦合機(jī)制進(jìn)行了微觀研究和量化。

3.1 浮選機(jī)網(wǎng)格劃分技術(shù)

物理模型的網(wǎng)格化對于CFD 流場模擬而言是十分基礎(chǔ)卻又非常關(guān)鍵的工作,某種程度上直接決定了計算的可靠性,甚至?xí)苯佑绊懙綌?shù)值求解的問題。網(wǎng)格離散方法可以分為四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格以及混合網(wǎng)格三種。六面體網(wǎng)格適應(yīng)性差,在很多復(fù)雜零件是很難用六面體網(wǎng)格離散的,四面體網(wǎng)格技術(shù)對復(fù)雜物理結(jié)構(gòu)的適應(yīng)能力很強(qiáng),可以滿足任意的物理結(jié)構(gòu),考慮到浮選機(jī)的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點和工況條件,選用四面體網(wǎng)格劃分方法對浮選機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

浮選機(jī)四面體網(wǎng)格化的難點在于如何避免在局部狹小區(qū)域出現(xiàn)網(wǎng)格畸變,特別是在葉輪葉片、定子區(qū)域的網(wǎng)格尺寸突變所引起的畸變。采用差異化網(wǎng)格尺寸處理方法,根據(jù)區(qū)域結(jié)構(gòu)特點,根據(jù)局部位置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性采用不同的網(wǎng)格尺寸對結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,各區(qū)域之間通過建立的交界面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。這種方法大大提高了四面體網(wǎng)格在浮選機(jī)仿真過程中的適應(yīng)性,解決了絕大多數(shù)葉輪、定子系統(tǒng)的網(wǎng)格劃分問題。

3.2 網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量的影響

較好的網(wǎng)格質(zhì)量和合適的網(wǎng)格數(shù)量對CFD 預(yù)測的準(zhǔn)確性、可靠性以及計算成本等都非常重要。課題組對KYF-0.2 浮選機(jī)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行了網(wǎng)格敏感性分析。實驗型KYF-0.2 浮選機(jī)采用全四面體網(wǎng)格,對比分析了網(wǎng)格數(shù)量在586 589,682 996,796 830 情況下的流場數(shù)據(jù),檢測點設(shè)置在距離葉輪盤上部5 cm 處,提取沿徑向的液相速度值大小分布,以此來分析網(wǎng)格數(shù)量對速度預(yù)測結(jié)果的影響。從圖15 中不難看出,網(wǎng)格數(shù)量的變化會造成預(yù)測結(jié)果的波動,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量在682 996 與796 830 時,預(yù)測結(jié)果的波動較小,控制在5% 以內(nèi),故選用682 996 的網(wǎng)格。

圖15 四面體網(wǎng)格無關(guān)性驗證

3.3 給礦波動時的流固耦合振動特性分析

為了能夠模擬真實狀態(tài)下浮選機(jī)在給礦波動時的葉輪壓力變化,采用瞬態(tài)模擬的方式對給礦波動的浮選機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行了模擬仿真。由于數(shù)據(jù)量巨大且仿真電腦計算速度的限制,將模擬時間設(shè)置為8 s,流量由30 L/min 在第4 s 末突變至40 L/min、50 L/min、60 L/min,圖16 為流量從30 L/min 突變至60 L/min 的速度云圖。

圖16 流量突變前后速度場云圖

從圖16 和圖17 可以看出,進(jìn)口管高度處于葉輪攪拌下循環(huán)進(jìn)入葉輪攪拌區(qū)的位置,因此進(jìn)口管進(jìn)入的流體會被吸入葉輪攪拌區(qū),參與到浮選機(jī)攪拌的上循環(huán)和下循環(huán)當(dāng)中。

圖17 流量突變前后速度矢量圖

對浮選機(jī)葉輪的1 號、4 號和24 號點的迎漿面的壓力進(jìn)行了檢測,圖18 為迎漿面1、24 號點的原始檢測圖。

圖18 迎漿面1#、24#點壓力檢測圖

從圖18 可以看出,在給礦波動的瞬間,葉輪表面的壓力值出現(xiàn)了明顯的變化,波動幅值明顯增大。但從圖中明顯可以看出,壓力激蕩的頻率沒有明顯變化,說明給礦波動沒有改變該點的振動頻率,僅對振動的幅值影響較大。

為了便于觀察三個檢測點壓力波動數(shù)值,對其中的每1 s 的數(shù)據(jù)取平均值,圖19 和圖20 為各點趨勢圖。

圖19 迎漿面1#、4#、24#點每秒平均壓力變化

圖20 不同流量下的壓力幅頻曲線

從圖19 可以看出:1 號和4 號點在迎漿面第4 s末流量增大后葉輪表面壓力呈現(xiàn)下降趨勢,這一壓力變化與實驗結(jié)論是吻合的。

在轉(zhuǎn)速195 r/min,循環(huán)流量為30 L/min 的條件下,分別對波動流量為0、10、20 與30 L/min 的迎漿面24 號點的壓力波動值進(jìn)行FFT 變換,得到有兩個幅值較高的頻率,如圖20 所示:其中f(Ⅰ)=3.25 Hz,f(Ⅱ)=6.5 Hz。

研究分析發(fā)現(xiàn),頻率3.25 正好為浮選機(jī)的葉輪旋轉(zhuǎn)頻率。同時還發(fā)現(xiàn),為便于檢測浮選機(jī),在葉輪的軸對稱的2 個葉片上分別設(shè)置了葉片壓力安裝孔。因此,可以認(rèn)為是葉輪旋轉(zhuǎn)過程中每秒經(jīng)過的葉片個數(shù),即在195 r/min 的轉(zhuǎn)速下,每秒通過的壓力檢測葉片數(shù)量為3.25×2=6.5。從圖21 可以發(fā)現(xiàn),葉輪的振動幅值隨著給礦波動量的增加而增加,由此我們可以得出結(jié)論:在外界工況條件發(fā)生變化并容易引起浮選機(jī)振動時,其葉輪發(fā)生振動的頻率完全由葉輪的結(jié)構(gòu)決定,而振幅的大小則由工況條件的變化量決定。

圖21 不同流量下的幅值曲線

4 結(jié)論

文章建立了能夠模擬現(xiàn)場不同工況條件的流-固耦合實驗平臺,采用了嵌入式微型壓力傳感器和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊對浮選機(jī)葉輪葉片的壓力變化情況進(jìn)行了實時檢測,通過數(shù)據(jù)分析揭示了給礦速度變化時葉輪葉片壓力的變化規(guī)律。

1)給礦波動對浮選機(jī)葉輪的壓力變化影響顯著。

2)在外界工況條件發(fā)生變化并容易引起浮選機(jī)振動時,其葉輪發(fā)生振動的頻率完全由葉輪的結(jié)構(gòu)決定,而振幅的大小則由工況條件的變化量決定。