擦洗机中叶片倾角对流场分布及输入功率的影响分析.pdf

9 4 有色金属 选矿部分2 0 1 8 年第1 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 8 ．0 1 ．0 1 8 擦洗机中叶片倾角对流场分布及 输入功率的影响分析 姚建超1 ”，何建成1 ”，孙小旭1 ”，周宏喜1 ”，袁树礼1 ’2 1 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 ；2 ．北矿机电科技有限责任公司，北京1 0 0 1 6 0 摘要以G J M 型高效擦洗机为研究对象，基于计算机仿真流体动力学 C F D ，C o m p u t a t i o n a lF l u i dD y n a m i c s 方 法，对比分析了单叶轮搅拌装置与四叶轮搅拌装置的有效作用区域，研究了叶片倾角对擦洗机流场分布和输入功率的 影响规律。结果表明，四叶轮搅拌装置较单叶轮搅拌装置作用区域更大且流场分布均匀，在流场作用区域相近的情况 下四叶轮搅拌装置的输入功率更低，同时也得出了四叶轮搅拌装置的输入功率随叶片倾角增大呈现先增大后减小的 影响规律，为擦洗机的结构参数设计优化提供了理论依据。 关键词擦洗机；叶片倾角；C F D ；流场 中图分类号T D 4 5 3 ．9文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 8 0 1 - 0 0 9 4 - 0 6 A n a l y s i so fB l a d eA n g l e ’SI n f l u e n c eo nt h eD i s t r i b u t i o no fF l o wF i e l d a n dI n p u tP o w e ri nS c r u b b i n gM a c h i n e Y A OJ i a n c h a o l ”，H EJ i a n c h e n 9 1 ”，s U NX i a o x u l ”．z H o UH o n g x i | ”，Y U A NS h u l i i ，2 1 ．B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a ； 2 ．B G R I M MM a c h i n e r ya n dA u t o m a t i o nT e c h n o l o g yC o ．，L t d ．，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t T a k i n gt h eG J Me f f i c i e n ts c r u b b i n gm a c h i n ea st h er e s e a r c ho b j e c t ，u s i n gt h eC o m p u t a t i o n a lF l u i d D y n a m i c s C F D m e t h o dt oc o m p a r ea n da n a l y z et h ee f f e c t i v ea r e ao ft h es i n g l ei m p e l l e ra 舀t a t o ra n df o u r i m p e U e r s a g i t a t o r ．a n ds t u d yt h ei n f l u e n c eo fb l a d eA n g l eo nf i e l dd i s t r i b u t i o na n di n p u tp o w e ro fs c r u b b i n gm a c h i n e ．n e r e s u l t ss h o wt h a t ，t h ef o u ri m p e l l e r sa g i t a t o rh a sl a r g e re f f e c tz o n ea n dt h ed i s t r i b u t i o no ff l o wf i e l di sm o r ee q u a l l y t h a ns i n g l ei m p e l l e ra g i t a t o r ，I nas i m i l a rs i t u a t i o no ft h ef l o wf i e l d ，f o u ri m p e l l e r sa g i t a t o r ’Si n p u tp o w e ri sl o w e r ， a l s og e tt h ei n f l u e n c er u l eo ff o u ri m p e l l e r sa g i t a t o rt h a tt h ei n p u tp o w e rf i r s t l yi n c r e a s ea n dt h e nd e c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s e o ft h eb l a d ea n g l e ，t h u sp r o v i d e st h e o r yb a s i so fs c r u b b i n gm a c h i n ef o r t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o nd e s i g n ． K e yw o r d s s c r u b b i n gm a c h i n e ；b l a d ea n g l e ；C F D ；f l o wf i e l d 近年来，随着我国矿产资源的日益贫细杂化，有 用矿物的选别难度越来越高，对于一些常见的金属 矿与非金属矿的选别提纯中，有用矿物常与黏土、表 面污染物以及氧化膜或药剂等胶结一起，影响后续 的浮选效果，需要进一步擦洗。进入擦洗机中的高 浓度物料在搅拌装置的强烈搅拌下，可以清除表面 附着的杂质或氧化膜，提高物料的纯度，为后续选别 作业提供更好的环境。目前通常用搅拌槽 多为单 层叶轮 或介质擦洗机 搅拌磨机 作为擦洗设备， 搅拌槽以混合搅拌作用为主擦洗效果欠佳，而介质 擦洗机则容易产生过磨，改变物料粒度且功耗较高， 因此随着选矿厂规模的日益扩大，对擦洗效果更好、 能耗更低的专用设备的需求更加迫切，北京矿冶研 究总院经过充分调研，研发了一种新型的无介质擦 洗机。 常规的搅拌槽通常使用单叶轮作为搅拌装置， 其作用区域小且擦洗效果欠佳，北京矿冶研究总院 开发的新型无介质擦洗机采用四叶轮两两对称结 构，增大了搅拌装置与物料的有效作用区域、强化了 擦洗效果。擦洗机内流场分布和搅拌功率主要影响 基金项目国家自然科学基金资助 5 1 6 0 4 0 2 7 ；5 1 6 7 4 0 3 3 收稿日期2 0 1 7 - 0 6 3 0修回日期2 0 1 7 1 l - 2 9 作者简齐姚建超 1 9 8 9 ． ，男，河北衡水人，硕士，助理工程师，主要从事粉磨设备设计优化等方面的研究工作。 万方数据 2 0 1 8 年第l 期姚建超等擦洗机中叶片倾角对流场分布及输入功率的影响分析 9 5 参数有搅拌装置的结构参数、运行参数，筒体的几何 参数、矿石的物性参数等J ，搅拌装置的结构参数 又包括叶轮数量、直径、叶片倾角等，本文选取叶片 倾角为研究对象，对单层叶轮与四层叶轮的不同倾 角进行仿真，计算筒体内的流场分布及搅拌装置的 净输入功率，为搅拌装置的结构优化及设计提供理 论依据。 1 计算流体动力学模型 C F D 流体的流动遵循基本的动量、质量、能量守恒方 程，通过求解该类流动控制方程，可以获得流场的压 力、温度、速度等参数在空间的分布及随时间的变 化。常用的流体控制方程都是复杂的非线性偏微分 方程组，大多数情况下通过解析方法无法获得精确 解，计算流体力学采用计算流体区域有限个离散点 的数值来逼近流体流动的解析解口1 。 C F D 是计算机仿真技术与流体动力学仿真的 结合体，将流体分析采用数值模拟的方法进行计算 求解的过程。近年来随着计算机技术的飞速发展， 流体仿真技术的应用也越来越广泛，采用计算机仿 真方法来代替传统的试验方法，缩短设备开发周期， 降低研发成本pJ 。 1 ．1 C F X 中湍流模型 自然界中的流体运动大多随时间、空间的变化 而波动，并且是三维非定常的复杂多变过程，该流体 的运动形式即为湍流，湍流的形式受流体性质的影 响很大，当流体的相对黏性力、流体惯性力不可忽略 时，湍流就会发生HJ 。 C F X 提供了多种湍流模型，其中k s 模型适 用于大多数的工程湍流模型旧1 ，本文建模即采用 此湍流模型。其中k 为湍动能，单位为m 2 ／s 2 ；8 为 湍动能耗散，表示单位时间内的动能耗散，单位为 m 2 ／s 3 。标准七一占模型是针对充分的湍流运动建 立的，主要针对高雷诺数的湍流计算模型，在固定 壁面附近，因为分子之间的黏性作用，湍流脉动 受到阻尼作用，壁面处的雷诺数很小，不适合继 续使用该方程，此时，可以采用壁面函数法或较 低雷诺数的k 一占模型来处理近壁面区的流动计 算问题。 k s 模型的连续性方程为 塑O t V p U 0 动量方程为 o p ．t 。, V p U U 一V 弘。矿V U V P 7 V 肛∥V U 1 B 式中B 为体积力总和，肛够为有效黏度，P 为 修正压力。 其表达式为 阻啦2 弘七t P 7 P 知| j } 式中胁为湍流黏度，k s 模型假设湍流黏度 与湍动能和湍动能耗散有关，即 一印譬 k 、s 直接从湍动能和湍动能耗散方程中求解， 湍动能方程为 掣州p U k _ v [ 肛 尝 v k ] 峨叩 等 V p 如 V [ p 等 V 占] } C 。l P 一C 。2 p 8 式中，C 。l 、C 砬、o r 、∥。为常数。 P ；是黏性力与浮力的湍流产物，其方程为 P t p 。V U V U V U 7 一S ‘- v u 3 p ；V U p k P “ 1 ．2 初始条件设置 1 ．2 ．1 计算区域 擦洗机搅拌装置采用四叶轮两两对称布置形 式，每个叶轮有五个叶片，简体内壁为八边形结构， 具体结构形式如图1 所示，计算中为简化仿真模型， 以水作为搅拌介质。 1 ．2 ．2 边界条件设置 液面设为自由滑移壁面，即 塑挈塑塑∞0 a za za za z 作旋转运动的搅拌装置设置为无滑动的静止壁 面，对于近壁面区域流动采用S c a l a b l e 壁面函数模 型进行计算。搅拌转速设置与实际使用值一致，残 差类型为R M S ，残差收敛值为l O ～。 1 ．2 ．3 网格划分 筒体内壁为八边形，筒体高为15 0 0m m ，边长 为5 1 0m m ，叶轮转速为1 2 0r ／m i n ，设备运行时筒壁 一直处于静止状态，并且其与中心搅拌装置的距离 较远，采用T e t r a ／M i x e d 划分四面型网格，最小尺寸 间距设置为3 0 。叶轮表面选用混合网格来提高不 规则区域的网格适应度，面网格使用p r i s m 进行划 万方数据 9 6 有色金属 选矿部分2 0 1 8 年第1 期 图1 擦洗机搅拌装置结构图 F i g ．1S t i r r i n gd e v i c es t r u c t u r eo f s c r u b b i n gm a c h i n e 分，分别建立筒体、单叶轮搅拌装置及四叶轮搅拌装 置的网格模型如图2 所示． 图2 模型网格 F i g ．2 M e s ho fm o d e l 2 仿真结果分析 常见搅拌叶轮叶片的角度多为4 5 0 ，一般来说 对于单叶轮搅拌器的叶片角度逐渐升高时，轴的输 入功率逐渐增大，功率与角度的关系与＆的大小有 关。当心较小时，功率随角度的变化并不明显，当 如变大时，功率随角度的变化而变化较为明显”J ， 在湍流区中N o 。C s i n 0 。2 。 首先建立单叶轮搅拌装置的仿真模型，在其它 结构参数不变时，改变叶片的倾角 与水平方向夹 角 进行仿真，叶片的倾角由1 0 。增加至9 0 。。由仿 真结果计算出搅拌装置的输入扭矩和搅拌轴的输入 功率，结果如图3 所示，叶片倾角由1 0 0 增加至9 0 0 时搅拌装置输入功率由0 ．8k W 逐渐升至6 ．2k W ， 搅拌装置的输入功率随叶片倾角的增大而逐渐升 高，这与理论分析结果相符。 图3 单层叶轮的功率与倾角关系 F i g ．3 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep o w e ro f s i n g l ei m p e l l e ra g i t a t o ra n dt h eb l a d ea n g l e 选取叶片倾角为1 0 0 、5 0 0 、9 0 0 三种叶片倾角的 搅拌装置进行对比分析，筒体内纵截面的速度矢量 图和速度云图如图4 所示。倾角为1 0 。时，搅拌区 域靠近筒体底部，流体的轴向流动缓慢，在搅拌装 置外缘与筒壁之间只有少量的漩涡运动，叶轮的 上半部分以及叶轮轮毂的下部几乎没有流体运 动；倾角为5 0 。时，搅拌区域为筒体的下半部分，叶 轮周围的流体运动强烈，轴向流动也较为明显，只 有筒体的上半部分以及轮毂下部的一小块区域无 流体运动；倾角为9 0 。时，筒体内流体的轴向运动 剧烈，在叶片周围、轴以及筒壁附近有着强烈的漩 涡运动，但在叶片轮毂与筒低底部之间流体运动 较为缓慢。由此可见，在同等条件下，单叶轮叶片 的倾角越大，搅拌区域也就越大，搅拌轴的输入功 率也就越高。 建立四叶轮搅拌装置的仿真模型，改变叶片 的倾角 与水平方向夹角 进行仿真，叶片的倾角 由l O 。增加至9 0 。，其它结构参数保持不变。同 万方数据 2 0 1 8 年第1 期姚建超等擦洗机中叶片倾角对流场分布及输入功率的影响分析 9 7 卜5 3 6 7 e 厂_ TI H H l k 。．’●J l - ‘ 烫 。j 、、’．，。 、．■ 壤 ．∥| I ．。 j 。一I 若未一∑⋯一一√√￡蕊 j 缨丝五了了 燃蓊 a 叶片倾角l o 。流线图 ． 徭 淤≮i ；．{ 主 ，。，，。j I 隧。遮罐 餐、 塑 } 。囊 蠢b 璐≤Ⅺ∞洲r ．舻鲫f 6 ， 蒸』吟黝一一湖 瞒芯曩K i 。 j ， 一⋯-划 b 叶片倾角j 】。流线罔 经 奄警{ 斗、 ，一一甚 、{ 、 ‘， 鬻 ； { I 翼 ￡二 ⋯觥 茁，．“．r ■f一’C N K ，翳≥ c 叶片倾角吼 。流线图 瞧 l } 53 ．5 7 e - IH 1 1 r 一 r 、 L 、 L ／ 、 卜 ≥ { 矿．i 灞露氟西瞳蠢t d 叶片倾角l 1 。速度云图 瞄} 蠢 ms “一1 麟 『f77 t r r e - HJ I e 叶片倾角j 。速度云图 图4 单叶轮筒体纵截面流线图和速度云图 f 叶片倾角州 。速度云图 F i g ．4 C r o s ss e c t i o nf l o wc h a r ta n dv e l o c i t yc o n t o u r so fs i n g l ei m p e l l e ra g i t a t o r 理得出不同叶片倾角状态下的搅拌装置输入功同样选取叶片倾角为1 0 。、5 0 。、9 0 。三种搅拌 率如图5 所示，与单叶轮搅拌装置不同的是输入装置进行对比分析，筒体内纵截面速度矢量图和 功率随叶片倾角增大呈现出先增大后减小的规速度云图如图6 所示。倾角为1 0 。时，筒体内除叶 律，搅拌装置的输入功率在叶片倾角为5 0 。时达片周围外其它区域内流体速度较低；倾角为5 0 。 到最大值4 ．5k W 。时，筒体内搅拌作用强烈，从上至下流体形成强烈 万方数据 有色金属 选矿部分2 0 1 8 年第1 期 ≥ 芒 褂 蚤 240“ 偏角旷 图5四层叶轮的功率与倾角关系 F i g ．5 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep o w e ro f f o u ri m p e l l e r sa g i t a t o ra n dt h eb l a d ea n g l e V e l o c i t y P r o j e c t i o n I I 4 ‘ 1 4 e l H H } 斟3 ．“；5 e “H J ● ■2 ．4 ．5 7 e 0 0 0 _ ■I2 2 9 e ⋯ _ I { { R R l e 0 0 t 【ms A 一1J V e l o c i t y P r o j e c t i o n i 一47 2 4 e lH H l ■ 5 4 3 e I H H - ■23 6 2 e I n I _ ■11 8 1 e H H } _ ●I I ．O { R e 0 0 0 I ms ‘一1 1 ，- ’V e l 4 0 c 2 i } t 矗ye P ㈣r o i e 。1 1 0 n r “ | 竺羔 _ I ⋯H e H H l I ms o IJ a 叶片倾角l 1 。流线罔 b 叶片倾角j 。流线圈 c 叶片倾角州l 。流线图 的漩涡运动，有力的强化了对物料的擦洗作用；倾 角为9 0 。时，筒体内搅拌作用较5 0 。时更为强烈，但 是在叶轮与筒壁之间的环形区域内流体的轴向流 动较小，几乎没有漩涡作用，此时并没有提升对物 料的擦洗作用。由此可见，当叶片倾角逐渐增大 时，流体的流速逐渐升高，而流体的径向流速先升 高后下降，在叶片倾角5 0 。左右时流体的流速和漩 涡运动均比较强烈，此时更有利于物料的擦洗 作用。 V e l o c i t yi nS t nF r a m e 48 2 l e I H H 4 ．2 8 ．5 e 0 1 M 37 5 e H H l 32 1 4 e I H H 26 7 8 e { H 21 4 3 e 0 1 H l l “ 7 e O O } l1 1 7 l e I H H 53 5 7 e - l H l l 【ms ‘ M e H X 1 】 I 『f53 4 7 e - { H 1 1 瞧 f } 54 I S e I H l I 【ms “一 _ 一 一 ● j 一一， 一 I ■ ● 一 r 一 一 ● ■1 一一 一_ 一．▲o 万方数据 2 0 1 8 年第l 期姚建超等擦洗机中叶片倾角对流场分布及输入功率的影响分析 9 9 通过对单叶轮和四叶轮搅拌装置在不同叶片倾 角的情况下进行仿真分析，计算出搅拌装置的净输 入功率，从结果对比分析可以得出对于单层叶轮， 其叶片倾角越大则简体内物料的流速越大且涡流作 用越强，搅拌装置的输入功率也就越大；对于四层叶 轮，其叶片倾角越大则筒体内物料的流速逐渐增大 而漩涡作用先增大后减小，搅拌装置的输入功率也 是先增大后减小。 对于擦洗机希望其搅拌装置的作用区域更大且 输入功率低，对于以搅拌槽为代表的单叶轮擦洗装 置，其作用区域较小，从图4 可以看出，只有在叶片 倾角接近9 0 。时其作用区域可以覆盖筒体的大部分 区域，而此时输入功率最大为6 ．2k W ，对于新型的 四叶轮擦洗装置其作用区域大且在叶片倾角为5 0 。 时物料的漩涡作用最为强烈，输入功率为4 ．5k W ， 在流场作用区域相近时四叶轮搅拌装置较单叶轮搅 拌装置的能耗降低2 7 ％。 3结论 C F D 计算流体力学仿真方法可以显著缩短设 备的研发周期，减小设备的开发成本，在一定程度上 为设备的结构参数与运行参数的优化设计提供依 据。本文通过采用C F D 对单叶轮搅拌装置及四叶 轮搅拌装置分别在不同叶片倾角的条件下进行仿真 分析，得出了叶片倾角对筒体内流场分布及输入功 率的影响规律，同时也可以看出该新型无介质擦洗 机较传统搅拌槽类擦洗装置的流场分布更为均匀、 筒体内漩涡作用更为强烈，且输入功率更低，是一种 新型高效擦洗装置。 参考文献 [ 1 ] 杨小波．桨式搅拌器的功率计算[ J ] ．有色设备，2 0 0 8 2 1 0 1 3 ． [ 2 ] 张宏伟，介质搅拌磨单相流流场C F D 仿真模拟和实验验 证研究[ D ] ．广州华南理工大学，2 0 1 3 ． [ 3 ] 王福军．计算流体动力学分析一C F D 软件原理及应用 [ M ] ．北京清华大学出版社，2 0 0 4 ． [ 4 ] 张兆顺，崔桂香．流体力学[ M ] ．北京清华大学出版社， 2 0 0 6 - 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