射流式微泡发生器三相流动行为研究.pdf

2 0 1 9 年第1 期有色金属 选矿部分 8 9 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 9 ．0 1 ．0 1 8 射流式微泡发生器三相流动行为研究 郭彦军，何伟，李浙昆，李敬伟，杨艳斌 昆明理工大学机电工程学院，昆明6 5 0 5 0 0 摘要采用了一种射流式微泡发生器并建立了矿物浮选试验系统，根据微泡发生器三相流动特性，提出了基于双流体模 型的三相流动力学模型。常温常压条件下基于三相流动力学模型，运用C F D 理论和F l u e n t 分析软件对射流式微泡发生器内 气一固一液三相流动行为进行数值模拟，分析了射流式微泡发生器内三相流场的压力、速度和三相分布等重要参数。结果表明 喷嘴截面面积不断变小导致压力增大，发生非常剧烈的三相间相互作用，微泡基本在此处生成；静压在微泡发生器轴向端从 人I I 到出口方向逐渐降低，而在喉管内部静压的径向分布比较均匀，非常适合气一固一液三相充分混合。研究方法能够对相关 设备的开发提供一定的参考。 关键词射流；微泡发生器；矿物浮选；三相流；C F D 中图分类号T D 4 5 6文献标志码A文章编号1 6 7 卜9 4 9 2 2 0 1 9 0 1 0 0 8 9 0 6 S t u d yo nT h r e e - p h a s eF l o wB e h a v i o ro fJ e tM i c r o b u b b l eG e n e r a t o r G U O Y a n j u n ，H EW e i ，L jZ h e k u n ，L IJ i n g w e i ，Y A N GY a n b i n F a c u l t yo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ，K u n m i n g6 5 0 5 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t Aj e tm i c r o b u b b l eg e n e r a t o rw a su s e da n dam i n e r a lf l o t a t i o ne x p e r i m e n ts y s t e mw a s e s t a b l i s h e d ．B a s e do nt h et h r e e p h a s ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h em i c r o b u b b l eg e n e r a t o r ，at h r e e p h a s ef l o w d y n a m i c sm o d e lb a s e do nat w o f l u i dm o d e lw a sp r o p o s e d ．B a s e do nt h et h r e e p h a s ef l o wd y n a m i c sm o d e l u n d e rn o r m a lt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ec o n d i t i o n s ，t h et h r e e p h a s ef l o wb e h a v i o r so fg a s l i q u i d ，s o l i d l i q u i d a n df l u i di nt h ej e tm i c r o b u b b l eg e n e r a t o rw e r en u m e r i c a l l ys i m u l a t e du s i n gC F Dt h e o r ya n df l u e n ta n a l y s i s s o f t w a r e ．T h et h r e e p h a s ef l o wi nt h ej e tm i c r o b u b b l eg e n e r a t o rw a sa n a l y z e d ．F i e l dp r e s s u r e ，s p e e da n d t h r e e p h a s ed i s t r i b u t i o na n do t h e ri m p o r t a n tp a r a m e t e r s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t i n u o u sd e c r e a s eo f t h ec r o s s s e c t i o n a la r e ao ft h en o z z l el e a d st Oa ni n c r e a s ei np r e s s u r ea n dav e r ys e v e r ei n t e r a c t i o nb e t w e e n t h et h r e ep h a s e s ．T h em i c r o b u b b l e sa r eb a s i c a l l yg e n e r a t e dh e r e ；t h es t a t i cp r e s s u r eg r a d u a l l yd e c r e a s e s f r o mt h ei n l e tt ot h eo u t l e ti nt h ea x i a le n do ft h em i c r o b u b b l eg e n e r a t o r ．T h er a d i a ld i s t r i b u t i o no fs t a t i c p r e s s u r ei n s i d et h et h r o a ti sr e l a t i v e l yu n i f o r m ，w h i c hi sv e r ys u i t a b l ef o rt h r e e p h a s ef u l lm i x i n go fg a s ， s o l i da n dl i q u i d ．T h er e s e a r c hm e t h o do ft h i sa r t i c l ec a np r o v i d ec e r t a i nr e f e r e n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to f r e l a t e de q u i p m e n t ． K e yw o r d s j e t ；m i c r o b u b b l eg e n e r a t o r ；m i n e r a lf l o t a t i o n ；t h r e e p h a s ef l o w ；C F D 微泡发生器是浮选系统的最基本构件，其性能 的好坏会对气浮过程中的含气率及微泡的直径及其 分布造成很大作用，直接会对微泡气浮的分选效果 等造成影响[ 1 ] 。因此，基于微泡发生器的使用需求 以及开发探索的深入，传统微泡发生器越来越凸显 出很多问题，越来越多的研究人员开始关注这类问 题并对通过数值分析和试验等方法来对微泡发生器 进行改造升级。 本文采用了一种射流式微泡发生器并建立了矿 物浮选试验系统，根据微泡发生器三相流动特性，提 出了基于双流体模型的三相流动力学模型。常温常 压条件下基于三相流动力学模型，运用C F D 理论和 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 1 6 8 0 2 0 ；云南省应用基础研究计划项目 2 0 1 3 F Z 0 2 4 收稿日期2 0 1 8 0 6 一1 0修回日期2 0 1 8 1 2 - 1 0 作者简介郭彦军 1 9 9 5 一 ，男，山西临汾人，硕士研究生，研究方向微细粒矿物浮选方法及关键技术研究。 通讯作者何伟 1 9 6 4 一 ，男，云南昆明人，副教授，研究方向数字化建模与仿真。 万方数据 9 0 有色金属 选矿部分2 0 1 9 年第1 期 F l u e n t 分析软件对射流式微泡发生器内气一固一液三 相流动行为进行数值模拟，得到了其内部三相流的 流场分布[ 2 。3 ] 。本文的研究方法能够对相关设备的 开发提供一定的参考。 1微泡发生器结构特征和浮选系统 设计 微泡发生器是浮选设备中最为重要的的部件之 一，具有两大突出优点一是能够持续稳定地产生释 放出大小合适且分布均匀微泡；二是能促使微泡与 水中的杂质、油污、金属离子等高效发生碰撞、黏附。 微泡发生器的主要结构包括入射端口、喷嘴、混合 室、喉管、扩散管和出口。本文将要进行模拟分析的 对象结构示意图和实物图分别见图1 和图2 。 图1 微泡发生器结构示意图 F i g ．1 S t r u c t u r eo fm i c r o b u b b l eg e n e r a t o r 1 喷嘴；2 真空室；3 一混合室；4 一喉管；5 一扩散管； A 液固混合液体入口；B 一进气口；c 一气固液混合液出[ 2 1 图2 微泡发生器实物图 F i g ．2 R e a lp i c t u r eo fm i e r o b u b b l eg e n e r a t o r 本文所用的矿物浮选试验系统原理图如图3 所 示，主要器材包括浮选柱 内经1 8 5m m ，外径2 0 0 m m ，柱高30 0 0r a m 、压力计、水箱、水泵、微泡发生 器和空气压缩机等，试验装置如图4 所示。使用材 料为透明的有机玻璃以便于观察浮选柱内的情况， 进一步观测微泡大小及其与絮粒相互结合现象。通 过空气压缩机 气压可在0 ．1 ～0 ．7M P a 内调节 来 给微泡发生器输入其所需要的压缩空气。通过水箱 和水泵共同来完成浮选柱内矿浆循环，具体过程如 下水泵将矿浆从水箱出口中抽至水箱人口来完成 一次次的循环过程。 图3浮选系统试验原理图 F i g ．3 F l o t a t i o ns y s t e me x p e r i m e n ts c h e m a t i c s 1 一微泡发生器；2 空气压缩机；3 一真空计；4 一压力表； 5 一水泵；6 、1 1阀；7 流量计；8 一高速相机； 9 电脑；1 0 浮选柱；1 2 一水管；13 一水箱 图4 浮选系统试验装置 F i g ．4 F l o t a t i o ns y s t e me x p e r i m e n td e v i c e 2 微泡发生器内三相流体动力学模型 根据所要研究的发生器三相流特性，提出了基 于双流体模型的三相流动力学模型。该模型具有如 下特点将液相考虑为连续相，矿粒为经过液相流化 后的拟均相，气相以微泡形式在液相中离散化；采用 的方法结合了E ／E 模型和碰撞理论；拟均相比单液 相黏度密度更高，本质上是液一固悬浮物，可以用有 效物性参数来修正。三相流各相相互作用主要有 直接相互作用如气相 微泡 跟液相、固相 矿粒 跟 液相间的作用；间接相互作用如气固两相 微泡与矿 粒 、双气相 不同微泡 以及固相 不同矿粒 间的作 用等，如图5 所示。离散微泡相除了自身的湍流脉 动，还跟连续相间存在着质量、动量与能量交互，导 致了其质量、动量和能量的湍流输运，连续相脉动的 交互、产生、对流和扩散决定了离散相的脉动情况。 此模型内液相按照N a v i e r S t o k e s 瞬态方程组来进 行运动，矿粒相遵循了牛顿力学定律，最后建立了基 于分析微泡相和液一固混合物的相互协调机制。 万方数据 2 0 1 9 年第1 期郭彦军等射流式微泡发生器三相流动行为研究 9 l 本文运用雷诺输送方程和欧拉方程，结合质量 守恒定律和基于N a v i e r S t o k e s 方程牛顿第二定律， 应用牛顿第三定律处理三相之间交互作用，以双流 体模型为基础，建立了微泡发生器内气液固三相流 动特征控制方程‘“。 N 丰1 1 相睡1 匦孺翻i 每 液相 ＼／7 7 ＼／7 图5微泡发生器内三相流动及相互作用的物理模型 F i g ．5P h y s i c a lm o d e lo ft h r e e p h a s ef l o wa n d i n t e r a c t i o ni nam i c r o b u b b l eg e n e r a t o r 1 连续方程 1 微泡相连续方程 蠹妇以 - 一￡b 以训 1 2 矿物颗粒相连续方程 羞妇枷 一募b 肌川 2 3 液相连续方程 3 鱼t ∞川一吴。种肌 3 其中a 。 a 。 a 1 1 4 式中口、队p 分别为三相体积分数、密度和平均 速度矢量；下标g 、P 、z 分别代表气、固、液三相；下标 i 、J 分别代表矢量方向。 2 动量守恒方程 1 微泡相动量方程 依据前文，综合分析微泡发生器中气相运动的 主要考虑因素微泡相受到其他两相的曳力和微泡 颗粒之间的作用，由于关注重点是动水压强，则质量 力项忽略嘲，则此时的N a v i e r S t o k e s 方程如下‘6 | a g 。i - ∥‰3 u i ，Ia3zpP，一p 警一o 5 ∥，a z ，I 孤，一p 孤一u 。3 ’ 基于双流体模型微泡颗粒相动量方程和连续介 质性质，通过牛顿第二定律，最后可推得微泡颗粒相 动量守恒方程为 未咄彬。 丢‰P g R g i l 2 9 ．j - { _ - O t g 宏 一也 “卢一““ 一0 6 7 2r p 2 矿物颗粒相动量方程 综合考虑了液相对矿粒的剪切升力、矿粒间的 交互作用和微泡与矿粒的曳力，有 妄咻训 丢 p p u 牟up j h 瓦O p 一丝 “口一“一 一a s p p g ，一 C 巾 唧tc 山血飞， 差 筹 _ 0 7 3 液相动量方程 液相的互相占有率和有效黏度可以被模化增 大，动量方程中，当加入固相颗粒以后考虑液相的改 变的时候，液相度通常用有效黏度取代。同时将离 散微泡相对液相曳力影响加入，有 未 衅 丢 1 0 1U l i U l j h 砉～邮 一暑卜“磬 筹，]一瓦卜印。瓦十石’I 一也 ““一“。， 一0 8 r m 式中甜卅，，为矿物颗粒相有效黏度；卢为动力 黏度；P 为压力；r - 和r 二分别为微泡颗粒和矿物颗 粒的速度松弛时间；C 一是附加质量力系数，一般设 定为0 ．5 ；C 。为升力系数，一般设定为0 ．5 。 3 微泡发生器内数值模拟分析 3 ．1 网格划分 本次对微泡发生器的数值模拟过程中划分网格 如图6 所示，具体模拟对象是圆筒 锥 状射流式微 泡发生器。 L 图6网格系统 F i g ．6 G r i ds y s t e m 3 ．2 边界条件 由图1 所示，本射流式微泡发生器包括两个进 [ 2 I 和一个出口，分别设为矿浆速度进口、气体压力进 口和多相流压力出口。 1 空气进口设置为压力进口边界； ‰一％’I p l O l g C R 尝a c - 筹 罄’] 2 ’矿浆从喷嘴中射入的进口设置为速度进口 万方数据 9 2 有色金属 选矿部分2 0 1 9 年第1 期 边界，令喷嘴出口矿浆中水和矿粒时均速度相同，依 据伯努利原理，按照流量公式理论进行计算“ ] ，得到 喷嘴出口截面时均速度为2 0m ／s ，喷嘴出口截面直 径为4m m ； 3 出口边界扩散管作为三相流唯一出口，出 流处因有浮选柱形成的背压，根据实际情况，需要能 够举升2I T I 高度的混合液，所以把此处设置为混合 压力出口边界，压力为0 ．0 1 5M p a ； 4 对称轴边界满足轴对称条件 孤／a ， a ／a ，一a 。／a ，； 5 固壁条件采用壁面函数处理，壁面处“、矗、￡ 均为0 。 3 ．3 参数设置与求解方法 本文流场数值计算中，模拟参数具体设置如下 被卷吸的空气作为主相，其动力黏度为1 ．7 8 94 1 0 - 5k g ／ m 3 s ，初始含气量0 ．2 ％；水相作为第二 相，其密度为9 9 8 ．2k g ／m 2 ，动力黏度系数为1 ．0 0 3 x1 0 _ 3k g ／ m S ；矿粒相作为第三相当作拟流体 处理，考虑重力；喷嘴直径D 一4m m ，流道圆锥型， 喷嘴出口速度为“一2 0m ／s 。 本文进行的流场数值计算中，发生器内部流场 为高速多相流，对控制方程选用的离散方法为有限 体积法，选用S I M P I 。E 运算器采用耦合解算技术对 控制方程进行求解，满足收敛要求为连续残差的总 和小于1 0 一。本文采用收敛速度相对较快的隐式格 式对控制方程进行求解。设置精度相对较高的二阶 迎风差分格式来进行离散，同时采用交错网格及 S I M P L E 算法，并通过欠松弛技术来使得计算收敛。 4 结果与分析 4 ．1 压力分布 P r e s s u r e C o f l t o u r1 2 [ P a l 图7 微泡发生器内三相流动时的静压力分布云图 F i g ．7 D i s t r i b u t i o no fs t a t i cp r e s s u r ed u r i n g t h r e e p h a s ef l o wi nam i c r o b u b b l eg e n e r a t o r 从图7 和图8 可以看出，发生器内部三相流动 时候静压力峰值出现在喷嘴出口处，原因是喷嘴截 面面积不断变小导致的压力增大，同时可知，此处必 定发生非常剧烈的三相间相互作用，微泡会由此处 生成。到达喷口处时候，压能转变为动能，静压在微 泡发生器轴向端从入口到出口方向逐渐降低，压力 在3 72 6 3 ～1 2 32 4 5P a ，而在喉管内部静压的径向分 布比较均匀，非常适合气固液三相充分混合。 雾霉黑阑 图8微泡发生器内三相流动时的静压力分布等值图 F i g ．8 D i s t r i b u t i o no fi s o s t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n i nt h r e e - p h a s ef l o wi nam i c r o b u b b l eg e n e r a t o r A i r ．V e l o c i t y V e c t o r l 【ms - I ] 图9 气相速度矢量图 F i g ．9 G a sp h a s es p e e dv e c t o r 图1 0固相速度矢量图 F i g ．1 0 S o l i dp h a s es p e e dv e c t o r 2 2 2 l l 1 l 1 l O∞∞册∞∞加∞∞∞砌 e e e e e e e e e e 兮鹌％醯嘶衢蚪筋m∞ 4 2 O 3 8 2 6 1 5 0 ∞∞∞∞∞∞加∞砌吣 ．j 1 5 8 1 4 6 9 2 5 3 O 鼬州宝啪吼湖镪咖墨；搴扔咖圳％几回■■■■■■■■■陋 惦帖惦∞啤∞∞M O O O 0 O O O O e e e e e e e e l 7 3 9 O l 2 2 2 3 5 8 5 1 7 3 2 l O 6 8 O l 3 1 1 l 9 8 8 7 6 5 4 3 几豳■■■■■■■■■■ 万方数据 2 0 1 9 年第1 期郭彦军等射流式微泡发生器三相流动行为研究 9 3 4 ．2 速度分布 从图9 到图1 1 可见，气体人口处，微泡发生器 将外界气体以相对均匀的流速卷吸，由于喷嘴和气 体入口相互垂直使得气体流速在喷嘴处急剧降低， 从而使得水平流人的矿浆与垂直吸人的气相之间速 度差较大。矿浆和气体碰撞过程中，速度较高的矿 浆将低速气流给予捕掳、加速，其驰豫时间极短。从 图9 - 1 1 可以明显看出，在混合室 即吸人室与喉管 的联结区域 和喉管内发生的气相被捕获、剪切而变 为微泡以及其后续与矿浆混合的整个流动情形。通 入适当的矿粒以后，明显观测到气相在喉管内的分 布很均匀，并且能够更好地与矿浆作用，生成的微泡 的数量更多、尺寸更小。 L i q u i dV e l o c i t y V e e t o r l 几7 ．5 9 4 e 0 0 1 U 67 5 0 。 n n l 5 ．9 0 6 0 0 0 1 ■s M l 。枷l 4 ．2 1 9 e 0 0 l ■13 7 s 。枷1 2 ．5 3 1 e 0 0 1 ■16 R R 舢l 8 ．4 3 8 e 0 0 i I o ．0 0 0 e 0 0 0 【I ns - l 】 图1 1液相速度矢量图 F i g ．11 L i q u i dp h a s es p e e dv e c t o r A i r ．V e l o c i t y C o n t o u r1 图1 2 气相速度云图 F i g ．12 G a sp h a s es p e e dc l o u d 从三相速度云图图1 2 1 4 可直观看出微泡发生 器内部三相速度分布，喷嘴出口位置由于其截面积 减小而速度最高，也导致此处存在相当大的速度梯 度；喷嘴喷出的高速射流使得吸入室成为真空区而 卷吸大量气相很大程度地促进了微泡生成；在喉管 部位，流场截面面积不再发生改变，此处三相进行充 分混合，速度剖面为从管中央到管壁呈阶梯减小的 流动特点；当三相流进入扩散管时由于流场截面呈 喇叭状变大而使得流动进一步变缓。 图1 3固相速度云图 F i g ．13 S o l i dp h a s es p e e dc l o u d L i q u i dV e l o c i t y C o n t o u r1 3 8 2 e o O 7 4 4 e 0 0 1 0 6 e 0 0 4 6 7 e 0 0 8 2 9 e 0 0 1 9 l e 0 0 5 5 3 e 0 0 9 1 5 e 0 0 【n lg , * - I 】 图1 4 液相速度云图 F i g ．14L i q u i dp h a s es p e e dc l o u d A i r ．V o l u m eF r a c t i o n C o n t o u rl 图1 5 气相分布云图 F i g ．15 G a sp h a s ed i s t r i b u t i o nc l o u d 4 ．3 相含率分布 微泡发生器计域内三相含率分布情况如图1 5 1 7 所示，可以看出，三相之间相互作用最强烈的部位 是喷嘴处到喉管人口，由于喷嘴直径为4m m ，且矿 浆速度较高，形成射流束主要集中在喉管中间部位， 因此三相体积径向分布从中央向四周，液含率和固 含率减小，而气含率增加。从喷嘴处到扩散管处，气 ∞∞∞∞∞∞∞∞∞鲫吣 舳Ⅱ叭“∞昵勉观叭n甜蚪∞U k w m n％孵舵晒勰“H协鲫川 雪几U融■■■■■■l陋 6 5 5 4 3 3 2 1 1 6 0 几㈩川时函■■■■■■■■ 一 一 0 1 1 1 l 1 1 1 2 2 - 8 O O O O O O O O 0 O 0 O O O O O O O O O 0 O e e e e e e e e e e e O O O O O O O O 0 O 7∞∞∞吣∞∞∞吣∞吣乃 1 9 8 7 6 5 4 3 2 l 2 几U■■■■■■■■■■I 万方数据 9 4 有色金属 选矿部分2 0 1 9 年第1 期 含率逐渐减小，这是由于沿微泡发生器轴向方向上， 气流速度不断降低从而降低了其携带能力，导致固 体和液体的含率逐渐降低。当三相流进入扩散管 后，流速进一步降低，此时重力及浮力作用相对明 显，三相有发生分离的趋势，液相向流场下层运动， 微泡相向流场上层运动。 P ．V o l u m eF r a c t i o n C o n t o u rl F 73 ．6 7 0 e 一0 0 1 j } 3 ．3 0 3 e 一0 0 1 I2 ．9 3 6 e 0 0 1 U 2 ．5 6 9 e 一0 0 1 ■2 ．2 0 2 e 一0 0 1 I 1 ．8 3 5 e 一0 0 l 1 1 ．4 6 8 e - 0 0 1 ■11 n 1 。一0 0 l l “ 7 ．3 4 0 e 0 0 2 l “ 3 ．6 7 0 e 0 0 2 - 1 ．2 9 3 e ．0 0 7 图1 6固相分布云图 F i g ．16 S o l i dp h a s ed i s t r i b u t i o nc l o u d L i q u i d ．V o l u m eF r a c t i o n C o n t o u r1 7 0 6 e 一0 0 1 0 3 6 e o o l 3 6 5 e 一0 0 1 6 9 4 e 0 0 1 0 2 4 e o o l 3 5 3 e 0 0 1 6 8 2 e 0 0 1 0 1 2 e 0 0 l F i g ．1 7 5结论 1 阐述了微泡发生器结构特征和矿物浮选试验 原理，基于基本流体力学湍流理论，结合微泡发生器 内部多相流场流动性质，建立了基于双流体模型的 微泡发生器内三相流动力学模型。 2 模拟了射流式样微泡发生器内部的三相流动 力学特性，模拟结果初步验证了论文建立的三相流 动力学模型的合理性以及微泡气浮分离的可行性， 该模型对于进一步研究微泡发生器内的三相流动与 混合有重要的参考意义。 3 借助C F D 分析软件，分析了射流式微泡发生 器内三相流场的压力、速度和三相分布等重要参数。 经过分析，喷嘴截面面积不断变小导致压力增大，发 生非常剧烈的三相间相互作用，微泡基本在此处生 成。静压在微泡发生器轴向端从人口到出口方向逐 渐降低，而在喉管内部静压的径向分布比较均匀，非 常适合气固液三相充分混合。 4 采用C A E 仿真的方法来分析微泡发生器的 工作性能，一方面能够在设备尚未生产时候预测其 性能以节省开发时间和经费成本，另一方面文章采 用的研究方法能够给同类型微泡生成设备的开发提 供参考。 参考文献 [ 1 ] 徐志强，皇甫京华，曾鸣，等．射流浮选柱气泡发生器及 其充气性能的研究[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 3 ，3 2 6 6 1 56 1 9 ． E 2 ] 王福军．计算流体动力学分析C F D 软件原理与应用 [ M ] ．北京清华大学出版社，2 0 0 4 1 1 3 - 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