浓密机内部流场数值模拟研究进展_王学涛.pdf

浓密机内部流场数值模拟研究进展 王学涛 1 崔宝玉 1 魏德洲 1 宋振国 2， 3 孟令国 11 （1. 东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819； 2. 矿物加工科学与技术国家重点实验室， 北京 100160； 3. 北京矿冶科技集团有限公司， 北京 100160） 摘要为进一步提高浓密机的工作效率、 深入理解及发展絮凝浓密理论， 探讨了浓密机内部复杂流场特性 的研究方法， 并从多相流模型、 湍流模型、 模拟尺度方面详述了数值试验方法在浓密机内部流场特性研究中的应用 现状， 并阐述了数值模拟方法在提高絮凝浓密工艺指标的指导作用， 指出絮凝反应的数学描述、 絮团形成及其结构 演变过程仿真模型的建立是当下及今后研究的重点， 基于流场环境下的浓密机多场耦合是其内部流场数值模拟研 究的发展趋势。 关键词浓密机流场特性数值模拟絮凝固液分离 中图分类号TD462.5文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -11-161-08 DOI10.19614/ki.jsks.201911027 Research Progress on the Numerical Simulations of Internal Flow Field of Thickener Wang Xuetao1Cui Baoyu1Wei Dezhou1Song Zhenguo2， 3Meng Lingguo12 （1. School of Resources and Civil Engineering， Northeastern University， Shenyang 110819， China； 2. State Key Laboratory of Science and Technology of Mineral Processing， Beijing 100160， China； 3. BGRIMM Technology Group， Beijing 100160， China） Abstract In order to improve the working efficiency of thickener further， understand and develop the theory of floccula- tion thickening deeply，the research approaches about the complex characteristics of the internal flow field of thickener were discussed. The application status of the numerical experimental s in simulating the internal flow field of thickener is re- viewed in detail from the aspects of multiphase flow model， turbulent model and simulation scale. The guiding role of numeri- cal simulation in improving the technical inds of flocculation thickening process is elaborated. It is pointed out that the mathematical description of flocculation reaction， the ation of flocs and simulation modeling of structure evolution are the research focuses present and future. Multi-field coupling of thickener based on field environment is the development direction of internal flow field of the numerical simulation. KeywordsThickener， Flow field characteristics， Numerical simulation， Flocculation， Solid-liquid separation 收稿日期2019-07-25 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51504054， 51874075） ； 矿物加工科学与技术国家重点实验室开放基金项目 （编号 BGRIMM-KJSKL- 2019-03） ； 中央高校基本科研业务费专项基金项目 （编号 N170106004， N170104016） ， 辽宁省自然科学基金项目 （编号 20170520335） 。 作者简介王学涛1990， 男， 博士研究生。通讯作者崔宝玉1982， 男， 讲师， 博士。 浓密机是基于重力沉降作用的固液分离设备 ［ 1 ］。 作为加速颗粒沉降， 实现高、 低浓度差异化分流的细 粒物料浓缩的有效设备， 浓密机具有构造简单、 操作 方便、 处理能力大、 技术指标较好等优点， 广泛应用 于化工、 造纸、 湿法冶金、 选矿、 水处理等需要固-液 富集分离的技术领域 ［2-3］。 在矿物加工技术领域， 浓密机主要应用在尾矿 的浓缩工艺中， 一方面提高底流 （沉砂） 的排放浓度， 为后续尾矿输运和回填利用提供有利条件； 另一方 面旨在提高溢流水质， 以便选矿作业回水利用。随 着矿产资源的不断开发及选矿技术的不断提高， 尾 矿中微细固体颗粒含量越来越高， 因而导致尾矿浆 中微细颗粒沉降速度变慢、 浓密机溢流水质变差、 底 流浓度变低等浓密机工作效率下降， 并最终导致水 资源浪费及环境污染等问题。絮凝浓密技术作为强 化微细颗粒固-液分离的有效技术手段， 常通过在浓 密机给料中加入适当的絮凝剂来强化矿浆中微细颗 粒间的物理化学作用， 促使微细颗粒黏附形成更有 总第 521 期 2019 年第 11 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 521 November2019 161 ChaoXing 利于沉降和压密脱水的絮团。絮凝浓密过程的本质 是流场环境下的絮团成长及其运动行为 ［4-6］， 其絮凝 作用和颗粒运动特性除了受物料自身性质、 絮团的 尺寸与结构构造及密实程度等特征因素影响外， 同 时还受浓密机内部流场速度梯度、 湍流分布特性等 因素影响 ［7-9］， 因此浓密机内部流场特性在很大程度 上决定了浓密机的工作效率。 尽管浓密机工作原理和结构相对简单， 但随着 其所要处理物料浓密难度的不断增大， 以及对生产 要求的不断提高， 浓密机的研究和应用已逐渐从传 统型浓密机向高效浓密机快速发展， 而浓密机内部 流场和絮凝浓密过程长期以来都是研究的重点与难 点。浓密机内部流场实为复杂的多相、 强湍流流场， 尤其是对絮凝浓密效果起主要作用的给料井内部流 场极其复杂 ［2， 10］。而在生产实践中， 浓密机内部流场 及絮凝浓密过程长期受检测手段、 检测设备以及扰 动影响因素的限制， 不易准确获得对设备结构优化、 操作参数调整以及絮凝浓密过程深入研究的有效数 据， 严重制约着浓密机和絮凝浓密理论的进一步发 展。近些年来， 随着计算机仿真技术的不断发展以 及对絮凝理论研究的不断深入， 数值模拟方法已被 成功应用于浓密机内部流场及絮凝浓密过程的研究 中， 研究结果对提高浓密机的工作效率、 深入理解及 发展絮凝浓密理论具有重要指导意义 ［11-15］。 1浓密机主要结构及流态分区 1. 1浓密机内部的主要结构 浓密机一般由给料井 （给料筒） 、 浓缩池、 絮凝剂 添加机构、 刮耙、 驱动系统等部分组成。 浓密机的给料井一般内置于浓密机内部， 作为 给入料浆动能耗散、 絮凝剂添加、 絮凝剂分散和絮凝 反应发生的主要场所， 其内部为湍流强度较高的复 杂湍流场， 其内部流场分布特性很大程度上决定了 浓密机工作效率的高低。随着给料井结构的不断改 进和优化， 其给料方式已逐渐从中心入料向切向入 料转变， 给料入口已从单一入口向多入口并列给料 的方式发展。陈晓楠研究了切向单入口和对称双入 口给料方式对溢流澄清度的影响， 研究表明， 对称双 入口给料方式可以在较大的进料流量范围内保持较 小的溢流浊度 ［16-17］。为增加矿浆在给料井内部的水 力停留时间， 给料井入口处内部从无挡板结构向多 样化挡板结构配置演变， 甘恒等通过物理检测试验 对比了无挡板、 环形挡板、 螺旋镂空式挡板内的流体 扰动情况， 发现挡板可减弱旋流强度， 配置新型挡板 的给料井能够更好地给料， 使排出的流体进行周向 释能， 且出口处流体的周向速度很小， 对下部区域流 体的稳定性影响较小 ［18］。为减弱给入料浆对絮凝浓 密区流体稳定性的影响， 给料井出口已从向下开放 式向收缩倒流口、 锥形向上逆流出口结构不断优化， Nguyen等通过对浓密机内部不同排料结构的给料井 进行数值模拟研究， 发现向上逆流出口方式的给料 井对给入料浆的能量耗散率更高， 絮凝剂混合效果 更好， 形成的絮团尺寸更大 ［10］。 浓缩池结构目前主要包括高径比小的传统型浓 缩池、 高径比大的深锥形高效浓缩池。传统型浓缩池 处理量主要取决于其过流面积， 存在着单位面积处理 能力低的缺点； 高效浓缩池一般通过增加浓密高度和 底部锥形角度， 一方面为料浆中固体颗粒或絮团提供 更大的沉降距离和停留时间， 另一方面增大底部泥床 受到的静压力， 强化底部物料压缩脱水作用。Li等应 用高径比大的实验室型深锥浓密机和新型磁化助凝 剂， 进行了泥化度高的超细全尾砂动态絮凝沉降实 验， 其研究为磁场强度、 助凝剂单耗、 絮凝剂单耗、 供 料速度的确定提供了依据， 为司家营铁矿超细全尾砂 浆体安全高效处理节约了经济成本 ［19］。 刮耙一般内置于浓缩池的底锥处， 浓密机内部 悬浮液屈服应力对耙架工作扭矩等参数具有重要 影响。常规配置的耙架对底部床层进行搅拌， 在改 变底部浓相床层平衡状态的同时， 促进形成局部低 压区域， 为床层压缩水提供溢出通道， 进而加快压 缩脱水速率， 形成高浓度底流， 并经刮板刮至底流 排料口 ［2， 20］。刮耙运转速度、 空间配置位置等参数直 接影响浓密机内部流体流变特性及浓密机工作性 能， 合理的刮耙结构和运行参数是减小浓密机 “压 耙” 、“底流不稳” 等问题的重要手段。吴爱祥等基于 浆体流变学原理和散体力学原理对不同区域内耙子 构件的受力状态进行系统研究， 建立了复杂结构耙 子的扭矩力学模型， 并计算了刮耙最大扭矩和小耙 子产生的扭矩占耙子总扭矩的百分比， 从理论上解 释了深锥浓密机压耙及压耙后无法重启的原因， 并 为现场深锥浓密机驱动参数的设置提供了依据 ［21］。 Du等将28 kHz超声波应用在机械耙架上， 研究结果 表明 在不破坏床层结构的前提下， 2.01 W/L的超声 能量足以打开浓密机浓相床层封闭的网状结构， 使 床层的质量浓度由33.72提高到37.48， 为超声技 术在浓密机上的应用提供了新方向 ［22］。 1. 2浓密机内部流态分区 在生产实践中， 浓密机内部为连续的絮凝、 沉 降、 压密脱水过程。根据浓密机内部料浆运动形式 以及颗粒在三维空间位置浓度分布特性， 一般将浓 密机内部从上至下分为澄清区、 干涉沉降区、 过渡区 金属矿山2019年第11期总第521期 162 ChaoXing 王学涛等 浓密机内部流场数值模拟研究进展 以及压缩区 ［23］。 澄清区在整个流体区域最上层， 固体含量极低， 相互干涉程度非常小甚至互不干涉， 流场相对较稳 定， 随着上层清液流动溢出， 形成溢流。而浓密过程 中颗粒絮凝及沉降主要发生在澄清区下层的干涉沉 降区， 此区域固体颗粒相互干涉运动并沉降， 在添加 絮凝剂的条件下通过形成更大尺度的絮团增大其沉 降速率。向下沉降的颗粒及絮团在浓密机底部形成 高浓度浓相层， 上层固体颗粒对下层固体颗粒产生 压缩脱水作用， 因此， 在沉降层和压密层之间会形成 一个浓度介于两者之间的颗粒层， 即过渡层。与传 统型浓密机相比， 高效浓密机给料筒插入深度一般 较深， 物料甚至可直接给入下部浓相层， 物料进入浓 相层后， 粗颗粒以及形成的大絮团沉降， 未被捕获形 成絮团的微细颗粒或密实度极低的小尺寸絮团随液 流上升， 且在上升过程中会再次与其他颗粒或者絮 团碰撞， 发生二次凝聚， 此时沉降区和过渡区将作为 “过滤层” 强化絮凝浓密作用 ［6］。压缩区一般位于浓 缩池底部， 在此区域完成絮团的压密和脱水， 此区域 固体颗粒浓度较高， 可达45～75。压缩区的泥层 高度及其稳定性的控制与底流排放量和耙架的运转 速率密切相关， 过高的泥层高度易造成 “压耙” 事故 的发生， 底流排放量超过其临界值时， 压缩区泥层稳 定性变差， 极易导致泥床局部 “坍塌” ， 浓密机内部流 场稳定性严重破坏， 进而降低浓密机工作效率甚至 未形成浓密效果。 浓密机结构与物料性质和操作参数共同决定了 料浆在浓密机内部的絮凝、 沉降和压密脱水特性， 其 内部流场在各个分区的稳定是浓密机获得高浓度底 流、 澄清溢流以及高作业效率的重要基础。 2浓密机内部流场研究方法 2. 1数学解析法 目前， 浓密机内部流场的研究方法主要包括数 学解析法、 物理试验法以及数值模拟研究法 ［24］。 数学解析法为浓密机基本结构和参数设计提供 理论基础， 其内部流场的数学解析研究方法以颗粒 在悬浮液中的Stocks沉降理论和计算流体力学理论 为基础， 运用微积分等原理对颗粒运动规律、 浓密机 尺寸和操作参数进行粗略计算。 史采星等以实验室絮凝沉降试验为基础， 建立 沉降数学模型， 并通过数学公式推算及图解法对浓 密机选型参数进行了预估 ［25］。Zhang等通过建立一 维的基于时间尺度的浓缩数学模型， 探讨了不同操 作参数对流变特性和浓密性能的影响 ［26-27］。李公成 等在实验室动态絮凝沉降试验基础上， 基于凯奇 （Kynch） 沉降模型、 供排料平衡理论， 建立了浓缩池 高度确定方法与直径计算模型， 其研究结果为新疆 某铜矿深锥浓密机关键参数的确定提供了依据， 最 终其浓密机底流浓度维持在 69.5～72 ［28］。杨柳 华等通过建立浓密机底流调控数学模型， 并利用该 模型对底流循环实验参数进行了验证， 其研究结果 表明， 在一定范围内底流体积分数差随着循环流量 及循环高度增大而增大， 底流浓度稳定所需时间随 流量及高度增加而减小 ［29］。 尽管此类方法可对浓缩特性进行预测， 但是受 经验模型、 经验参数等限制， 计算与解析结果与试验 和生产实践仍存在一定差距 ［13， 30］。当有絮凝反应发 生时， 即便考虑颗粒在沉降过程中的相互碰撞和相 互干涉效应 ［15， 31-32］， 也难以对基于流场作用的絮凝反 应和絮凝过程进行准确的数学解析， 进而不易实现 浓缩特性参数的全面预测与精准调控。 2. 2物理试验法 流场物理检测法可获得浓密机内部更真实的流 场信息， 并可直接研究试验条件对试验结果的影响 规律， 为数学解析及数值模拟方法提供有效验证途 径和修正手段。近些年来， 随着流场测试技术和检 测设备的不断进步， 采用高精度仪器对浓密机内部 流场和絮团结构等特性参数进行测试已较为成熟。 国内外研究者在常规静态、 动态絮凝浓密试验 基础上， 通过先进的激光多普勒测速仪 （LDA） 、 三维 粒子成像测速仪 （3D PIV） 、 颗粒尺度追踪测试技术 （FBRM） 、 颗粒形态测试技术 （PVM） 、 絮团密度分析 仪 （FDA） 、 流变仪 （Rheometer） 、 伽马射线测厚仪 （γ- RG） 等流场实时测试技术对实验室型装置内部流场 特性进行了测试与研究， 从多角度探讨了浓密机流 场特性对浓密机工作效率的影响， 为浓密工艺提供 了参考依据， 同时也为一些数学解析方法和数值模 型的建立和修正提供了验证依据 ［8， 33-36］。但在生产实 践中， 浓密机流场检测很大程度上受检测设备和检 测环境的限制， 难以采用以上先进测试技术对其内 部的复杂多相流场进行实时准确测量。 2. 3数值模拟研究法 数值模拟研究法是近些年发展起来的研究流场 特性的高效方法， 利用计算机实现对浓密机内部复 杂流场的可视化， 同时可对其内部流场特性进行定 性和定量化分析与研究。 数值模拟研究法作为一种流场特性研究方法， 尤其是基于计算流体力学 （CFD） 仿真的内部流场特 性研究方法， 其高效、 节省资源、 流场信息丰富等优 点已广泛应用于浓密机结构设计、 参数优化等方面， 2019年第11期 163 ChaoXing 甚至揭示流场特性对浓密效果的影响机制 ［16， 37］。目 前， 国内外研究者已建立了从实验室到半工业、 工业 型浓密机内部流场的数值模拟方法， 尽管所建立的 数值模型还有待进一步完善， 但其研究结果在一定 程度上为提高浓密机工作效率提供了强有力的理论 指导和技术依据 ［10， 33， 38-43］。 3浓密机内部流场特性数值模拟研究 基于浓密机内部流体相互作用及运动行为的复 杂性， 建立合理的流场数值仿真模型是完善整个絮 凝浓密工艺过程模拟及应用研究的重要基础。 3. 1多相流模型的建立及应用 浓密机内部流场为典型的强湍流多相流， 当浓 密机给入物料中夹带泡沫或在给料过程中产生气泡 时， 其内部实为固-液-气三相湍流流场， 由于固-液- 气三相之间相互作用关系极为复杂， 所以浓密机内 部流场数值模型的建立一直以来都是研究的重点与 难点。浓密机内部流场数值模型的建立一般包括多 相流模型和湍流模型的构建。随着消泡技术以及消 泡装置在浓密机中的成熟应用， 浓密机中内部气相 所占比例极低， 故在数值模拟中常忽略气相对浓密 过程的影响， 只考虑固-液相间作用。目前， 针对悬 浮颗粒流场数值模拟可采用基于CFD的数值仿真法 和CFD-DEM耦合法。 CFD法模拟浓密机内部多相流主要包括欧拉- 拉格朗日法和欧拉-欧拉法。欧拉-拉格朗日法通过 求解时均N-S方程获得连续相运动特性， 而离散相 则通过追踪质点求解获得， 离散相和流体相之间可 以有动量、 质量和能量的交换， 但不考虑颗粒所占体 积。该方法又主要包括离散颗粒模型 （DPM） 、 浓相 离散颗粒模型 （DDPM） 。在欧拉-欧拉法中， 采用数 学方法将多相视为相互渗透的连续相， 并引入基于 空间和时间的连续相体积分数概念， 该方法主要包 括混合模型 （Mixture） 、 流体体积模型 （VOF） 和全欧拉 模型 （Full Euler） ［44］。 White、 Nguyen、 Jeldres等学者在基于LDA、 PIV等 检测方法验证的基础上采用欧拉-欧拉法先后对实验 室型、 工业型浓密机内部单相流场、 固-液两相流场进 行了模拟研究， 且为进一步考察颗粒絮凝作用， 在 FBRM、 PVM等絮团特征检测与数值模拟结果对比验 证的基础上， 引入群体平衡模型 （PBM） 描述颗粒凝聚 与破碎过程， 尽管此模型为深入研究絮凝浓密提供了 指导依据， 但此模型中初始颗粒粒径均采用单一固定 粒径， 与生产实践应用仍存在一定差距 ［7， 10， 33， 41， 43］。 Rudman等采用拉格朗日法对浓密机耙架处流线进行 了跟踪， 探究了悬浮液屈服应力对耙架扭矩以及颗 粒停留时间的影响 ［39， 45］。Tarpagkou等采用基于拉格 朗日的DPM耦合计算方法对沉降槽内流体运动行为 进行了模拟研究， 探讨了二次相离散相固体对连续 液流体相的影响 ［46］。Tanguay等在传统拉格朗日模 拟方法的基础上， 建立了能够更加准确描述浓密机 给料井颗粒停留时间分布的颗粒追踪方法， 考察了 絮凝剂制度对给料井工作性能的影响 ［41］。Balakin等 基于欧拉-拉格朗日方法， 建立液体架桥絮凝模型对 二维流动模型下的颗粒絮凝行为进行了预测， 考察 了不同时间条件下的絮团尺度 ［47］。 CFD-DEM 耦合本质上属于欧拉-拉格朗日法， 通过求解颗粒在流体中受力、 颗粒间相互碰撞、 黏附 作用预测颗粒的复杂运动行为。Qiu、 Chaumeil等应 用 CFD-DEM 耦合方法， 采用 J-K-R （Johnson-Kan- dall-Roberts） 颗粒黏附模型分别对上部驱动的二维 方形腔内颗粒流和三维收缩式沉降管内颗粒凝聚及 沉降行为进行了数值模拟， 前者对比了有无水平流 对絮凝沉降行为的影响， 后者考察了颗粒尺度、 浓 度、 给料流率等因素对絮凝沉降特性的影响 ［48-49］。He 等针对运动部件对颗粒流的复杂影响， 集成动网格 技术并采用CFD-DEM耦合法对体系中的微细颗粒 运动行为进行了探究， 其研究为有机械运动部件参 与、 颗粒间相互作用行为复杂的CFD-DEM耦合方法 建模提供了理论和技术参考 ［50］。受颗粒絮凝作用机 理复杂、 絮凝行为数学描述难度大等因素限制， 当前 难以采用CFD-DEM耦合方法模拟大尺度、 复杂微细 多颗粒的絮凝浓密系统， 因此尚未形成完善的用于 描述基于流场作用下的浓密机内部颗粒絮凝及浓缩 模型。 3. 2湍流模型的选择及应用 对浓密机内部尤其是给料井内部复杂强湍流进 行准确描述是浓密机流场数值模拟的关键。当前常 用的湍流描述方法主要包括直接数值模拟 （DNS） 、 雷 诺平均模拟 （RANS） 和大涡模拟 （LES） 。DNS法虽然 能够以各种尺度准确对流场信息进行捕捉， 但受计 算时效的限制， 很少应用在具有高浓度流的浓密机 内部流场仿真方面。LES法通过求解某个尺度上的 所有湍流尺度涡的运动， 虽然可捕捉RANS方法难以 实现的瞬态大尺度效应， 但是同样由于网格离散化 精度要求高、 计算耗费大而无法在工程模拟上广泛 应用 ［24］。RANS法通过求解时均N-S方程描述湍流 特性， 为解决工程问题提供了比较有效且切实可行 的途径， 目前在浓密机内部流场数值模拟方面应用 最为广泛。 White等基于RANS法分别采用标准k-ε和差分 金属矿山2019年第11期总第521期 164 ChaoXing 格式的雷诺应力 （RSM） 湍流模型对实验室型浓密机 内部单一液相湍流特性进行了预测， 通过与给料井 内部速度分布的LDA的检测结果对比， 发现差分格 式的RSM湍流模型更能准确地描述浓密机内部湍流 特性 ［33］。Tanguay等研究发现， 当考虑到给料井内絮 凝剂吸附作用并采用CFD-PBM描述絮凝反应时， 标 准k-ε湍流模型下的数值模拟结果同其他湍流模型 相比具有更好的预测性 ［41］。Zhou等采用标准k-ε湍 流模型对赤泥分离浓缩机内部流体停留时间分布进 行了预测， 考察了给料流量等操作参数对料浆停留 时间分布特性的影响， 为给料井的最佳工作性能参 数的确定提供了指导依据 ［42］。Ebrahimzadeh等采用 标准 k-ε模型描述固、 液两相湍流特性分别对半工 业、 工业型浓密机内部流场进行了仿真研究， 重点考 察了给料流量、 给料浓度等操作参数对浓密机工作 性能的影响 ［51-52］， 为现场浓密工艺技术的指标提高提 供了切实可行的指导。 3. 3模拟尺度的选择 3. 3. 1几何空间尺度 根据浓密机连续动态运行的工作特点， 可同时 在空间和时间尺度上对其内部流场特性进行数值试 验研究。随着流场数值模拟技术的不断发展和计算 机软硬件工作性能的不断提高， 在几何空间尺度上 已实现对实验室型、 半工业型、 工业型全尺度规格的 浓密机内部流场特性进行模拟。White、 Tanguay、 Owen、 Ebrahimzadeh等分别对直径为 1.2 m、 20 m、 40 m、 120 m的传统型或深锥高效型浓密机内部流场进 行了仿真研究， 其研究结果为优化絮凝剂添加制度、 浓密机结构、 操作参数以及深入絮凝沉降理论研究 提供了可靠依据 ［33， 35， 41， 52］。 3. 3. 2网格离散尺度 浓密机内部流场计算域的网格离散化方式和 精细度对数值计算资源的消耗和数值模拟结果的 准确性具有重要影响。当前流场计算域网格离散 化主要包括结构网格、 非结构网格、 混合网格离散 方法 ［53-54］。针对浓密机几何结构复杂的特点， 少数 模拟对流场计算域进行了适当简化处理， 采用了结 构化网格离散方式， 而大多数研究采用了适应性更 加广泛的非结构网格或混合网格离散方式。White 等采用分块策略对浓密机流场计算域进行了六面体 结构化网格划分， 模拟结果与测试结果具有较好的 一致性 ［33］。Zhou、 Ebrahimzadeh 等采用四面体非结 构网格划分方式对浓密机内部复杂计算域进行离 散， 尽管增加了网格单元数量与节点数量， 增大了计 算资源的消耗， 但其划分方式简单， 且计算结果同样 可靠 ［42， 51］。李世凯等针对新型给料井结构复杂的特 点， 采用灵活性更强的四面体网格划分方式对浓密 机上部计算域进行离散， 并对结构敏感区域网格做 了局部加密处理， 对浓缩池下部对称区域进行了六 面体拓扑处理， 最终在网格数量无关性验证基础上 采用混合网格对浓密机内部流场特性进行了系统研 究 ［55］。 3. 3. 3物理时间尺度 由于浓密机运行时， 其内部为连续的絮凝、 沉 降、 压密脱水工艺过程， 所以在时间尺度上可对其内 部流场采取稳态和非稳态2种模拟方案。工业应用 的浓密机实现微细颗粒的固液分离一般需要较长停 留时间完成颗粒的絮凝、 沉降以及后续压密脱水作 业， 因此， 不易实现全时间尺度的浓密机内部流场非 稳态模拟。当前浓密机内部流场数值仿真主要采用 稳态模拟方法， 少数采用瞬态迭代的模拟一般仅限 于浓密机局部时间尺度的流场， 如对浓缩性能起关 键作用的给料井内部流场。 Nguyen 等基于 PB-CFD 模型并采用稳态迭对 4 种不同几何结构的浓密机给料井内部流场特性及絮 团尺寸进行了系统研究， 优化的给料井在南非某工业 型浓密机上得到了应用， 大大提高了现场浓密机的工 作性能 ［10］。Tanguay等在稳态模拟结果基础上， 应用 优化的颗粒追踪方法对2种絮凝剂作用下的给料井 内部的颗粒瞬态运动及絮凝行为进行了对比， 研究发 现， Rheomax DR1050絮凝剂相比于 Magnafloc 336更 有利于提高絮团质量、 沉降速度和底流浓度 ［41］。 4结语 （1） 浓密机内部流场特性决定了絮凝效果的好 坏， 深入研究流场特性对提高浓密机溢流质量和底 流浓度有重要意义。尽管浓密机内部流场物理检测 与试验研究为优化其结构及操作参数提供了指导， 但生产实践的给料不确定性直接影响了浓密机的工 作效率， 开发可应用于现场浓密机内部流体速度、 压 力、 浓度等流场特性与絮团尺度、 结构等絮团特征实 时监测和调控的软硬件技术一直以来都是浓密机辅 助技术研究的难点和重点。 （2） 数值模拟方法为探究浓密机内部流场特性 与颗粒絮凝、 沉降及压密脱水性能的影响规律提供 了有效手段。但当前的数值模型仍存在颗粒球形假 设、 给料粒度等特性分布与生产实践差异大等局限， 且颗粒絮凝作用的数学模型有待进一步完善， 亟需 建立基于流场作用下的絮团形成及结构演变模型， 并深入探究絮团特征对其自身沉降及压密性能的影 响机制， 进而从切实可操作的范围内调控浓密机内 王学涛等 浓密机内部流场数值模拟研究进展2019年第11期 165 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ ［18］ ［19］ ［20］ ［21］ ［22］ ［23］ ［24］ 部流场形成更易于浓密的絮团， 实现浓密机工作效 率的进一步提升。 （3） 随着浓密机在固液分离、 高效浓缩等应用领 域的不断拓展， 基于流场环境下的超声、 磁场等多物 理场作用的新型浓密机研发与应用是未来浓密机发 展的新方向， 因此， 基于流场环境下的浓密机内部多 场数值模拟技术也将成为提高浓密机工作性能、 进 一步发展高效浓密技术的新手段。 参 考 文 献 魏德洲. 固体物料分选学 ［M］ . 北京冶金工业出版社， 2015. 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