自吸气浮选机模拟研究.pdf

8 4 有色金属 选矿部分2 0 1 9 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 9 ．0 1 ．0 1 7 自吸气浮选机模拟研究 樊学赛1 ’2 ，陈东1 ’2 ，陈飞飞1 ’2 ，张明1 ’2 1 ．北京矿冶科技集团有限公司，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 摘要为加深对自吸气浮选机槽体内的流场结构及性能参数的认识，运用C F D 仿真技术对自吸气浮选机槽内气一液两 相流进行了模拟研究。以实验室J J F 一0 ．2m 3 自吸气浮选机为原型进行仿真建模，采用六面体网格对整个模型进行网格划分 的网格数量为1 ．6 1 0 6 。采用E u l e r - E u l e r 双流体模型对气一液两相流进行稳态模拟仿真，运输方程的计算运用商业软件 A N s Y 孓F L U E N T 软件。自吸气浮选机的吸气速率不能预先设定，需要通过模拟结果给出。我们设定气相为单一粒径的气 泡，直径为1m m 。模拟过程中监测了叶轮区的气含率及功耗，结果表明浮选机处于良好的操作状态。分析了槽内不同区域 的气含率云图及速矢量图，对自吸气浮选机内的流场有一个直观的认识。 关键词自吸气浮选机；C F D 仿真；气一液两相流；流场结构 中图分类号T D 4 5 6文献标志码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 1 9 0 1 0 0 8 4 0 5 C F DA n a l y s i so fS e l f - a e r a t i o nF l o t a t i o nM a c h i n e F A NX u e s a i l 2 ，C H E ND o n g ’’2 ，C H E NF e i f e i l ’2 ，Z H A N G M i n g 。’2 1 ．B G R I M MT e c h n o l o g yG r o u p ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a ；2 ．B G R I M M M a c h i n e r ya n d A 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 h eg a s l i q u i dt w o p h a s ef l o wi nt h et a n ko fs e l f a e r a t i o nf l o t a t i o nc e l lw a ss i m u l a t e db y C F Ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ．T h eg e o m e t r i cm o d e li sar e p l i c ao fal a b o r a t o r yJ J F 一0 ．2m 3f l o t a t i o nc e l la n d c o n t e n t sa10 一b l a d er o t o r ，as t a t o r ，ad i s p e r s i o n ，as t a n d p i p e ，ad r a f tt u b ea n dat a n kb o d y ．T h en u m b e ro f g r i d sf o rt h ee n t i r em o d e li s1 ．6 1 0 6 ．E u l e r E u l e rm o d e lw a se m p l o y e dt os i m u l a t et h es t e a d ys t a t eo fg a s l i q u i dt w o p h a s ef l o w ．t h et r a n s p o r te q u a t i o nw a sc a l c u l a t e db yc o m m e r c i a ls o f t w a r eA N S Y S - f l u e n t ．T h e a i rf l o wr a t eo fs e l f a e r a t i o nf l o t a t i o nc e l lc a nn o tb ek n o w ni na d v a n c e ，a n di ts h o u l db eg i v e nb ys i m u l a t i o n r e s u l t s ．U n i f o r mm e a nb u b b l ed i a m e t e ro f1 ．0m mh a sb e e ns p e c i f i e da sa ni n p u tf o rt h es i m u l a t i o n ．A i r v o l u m ef r a c t i o ni nr o t o ra n dp o w e rc o n s u m p t i o nh a v eb e e nm o n i t o r e dw i t ht i m e ，t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h ef l o t a t i o nc e l lw a si nas t a b l yo p e r a t i o ns t a t e ．A i rv o l u m ef r a c t i o nc o n t o u r sa n dv e l o c i t yf i e l di nd i f f e r e n t r e g i o n so ft h em a c h i n ea r ep r e s e n t e d ，t h u sw ew i l lh a v ea ni n t u i t i v eu n d e r s t a n d i n go ft h ef l o wf i e l di nt h e s e l f a e r a t i o nf l o t a t i o nc e l l ． K e yw o r d s s e l f a e r a t i o nf l o t a t i o nc e l l ；C F Ds i m u l a t i o n ；g a s l i q u i dt w o p h a s ef l o w ；f l o w f i e l ds t r l 】c t l 】r e 浮选机槽内的流场结构对回收率、精矿品位等 会造成极大影响，甚至影响生产的正常进行[ 1 ] 。所 以深入研究浮选机槽内的流场一直是广大学者的研 究热点。传统的实验室流体力学方法研究浮选机内 复杂的气一液一固三相流存在很大的局限性，需寻求更 加经济、高效、科学的研究方法对自吸气浮选机进行 研究。随着计算流体力学仿真技术的成熟，广泛应 用于化工、石化等领域内的机械搅拌反应器研究 基金项目 收稿日期 作者简介 通讯作者 中[ 2 ] 。C F D 在浮选机上的应用主要出现在2 0 世纪 8 0 年代，主要用来研究槽内的流场结构，优化浮选机 槽体设计。随着研究的加深，C F D 仿真技术不断应 用于浮选机性能参数 主要包括湍动能、湍流耗散 率、气含率分布、功耗、气体表观气速等 及关键结构 参数 主要包括叶轮、定子、循环筒等 的优化设计 中[ 3 - 4 ] 。目前，C F D 仿真技术的应用领域主要集中在 浮选机的相似放大及新型浮选机的开发，并用于预 国家自然科学基金青年基金资助项目 5 1 5 0 4 0 2 5 2 0 1 8 - 0 5 2 4 修回日期2 0 1 8 一1 2 - 1 3 樊学赛 1 9 8 9 一 ，男，河北石家庄人，硕士，工程师。 陈飞飞 1 9 9 2 一 ，男，江西吉安人，硕士，主要从事浮选设备设计、优化等方面研究。 万方数据 2 0 1 9 年第i 期樊学赛等自吸气浮选机模拟研究 8 5 测浮选过程的回收率和精矿品位[ 5 。9 ] 。在我国，由于 该技术起步比较晚，整体来说目前正处于一个起步 发展的阶段，局限于软件的应用上，而缺乏C F D 与 理论研究的相结合。同时，在自吸气浮选机和充气 式浮选机的应用上也存在差距充气式浮选机C F D 仿真研究比较充分，而自吸气浮选机在仿真研究上 缺失。 自吸气浮选机模拟的一个难点在于吸气速率未 知。吸气速率通常由浮选机的运行参数 转速、浸没 深度、插入深度等 确定，吸气速率不能作为初始条 件输入，必需通过模拟结果得到，这就给自吸气浮选 机的模拟带来很大的困难。另外，由实验室观察发 现，在吸气口处气体存在“呼吸”现象，这就意味着自 吸气浮选机空气卷吸存在两个过程短暂的“呼气” 及“吸气”过程。总的来说，未知的吸气速率和“呼 吸”现象要求对边界条件进行细致的处理。此外，为 使模拟结果与实际相一致，必须要有与之相适应的 湍流模型，商业软件所提供的湍流模型特点在于通 用性，然而对于复杂的自吸气浮选机槽内流场，必须 优化现有的湍流模型甚至开发新的湍流模型来得到 准确的模拟结果[ 10 | 。 自吸气浮选机气一液两相流仿真研究存在4 个 方法1 基于负压驱动理论的C F D 模拟研究，其本 质是仿真前，通过实验室测试计算出浮选机的吸气 量，在模拟研究中直接设定自吸气反应器的进气量， 相当于将自吸气反应器的模拟转变为充气式反应 器，忽略了空气卷吸这个复杂的过程口妇；2 基于 V O F 模型仿真研究，主要应用在两相交界面的跟踪 领域，研究虽然很好地仿真卷吸效应的表面涡流结 构，但未能有效预测槽内的气液分散特性，不能完整 的呈现出自吸气浮选机内的整体流场结构[ 1 2 1 4 3 ；3 自吸气反应器的分步模拟策略，其将模拟分为两个 过程，首先在单气相条件下仅模拟自吸气叶轮部分， 其次再在单液相条件下模拟反应器的流型特征，因 此，未能很好的预测气液两相的相互作用口朝；4 基于 空气卷吸的自吸气浮选机模拟，H ．F A Y E D 对浮选 机的C F D 研究处于领先地位，成功模拟出了空气卷 吸过程，分析了槽体内的流场结构，模拟出了气液相 间的相互作用，监测了自吸气浮选机的吸气速率和 功耗，并能与实验室试验很好的吻合[ 16 | 。 1 模型及模拟策略 自吸气浮选机结构较充气式浮选机更为复杂， 关键结构如图1 所示。模型分成7 个区域，分别为 转子域、定子域、分散罩域、上部槽体域、中部槽体 域、底部槽体域、溢出槽域及空气室域。通过贴体网 格和分体网格的结合对各个域进行结构网格划分， 网格数量为1 ．6 1 0 6 ，网格质量大于0 ．4 。不同区 域的网格通过交界面装配成为整体，虽然模型所分 区域多，不同区域之间的交界面设置复杂，但是仍实 现了较优异的网格质量，为C F D 仿真的准确性、可 靠性奠定了基础。 1 2 一／一 算 水位线 o 钾| 4 0 一 卜／／≥，／ ／ 一 蕊一 ／一 ／ l n L ， 一一‘．一 l n 士1 5 2 i 一一一一／ ／”” 一，一／ 图1 自吸气浮选结构示意图 F i g ．1 T h es t r u c t u r eo fs e l f a e r a t i o nf l o t a t i o nc e l l l 一吸气口；2 - - 竖筒；3 一分散罩；4 - - 定子； 5 一叶轮；6 - - 循环筒；7 一假底 空气从竖筒上端面的吸气口吸入，进入叶轮域， 并通过定子孑L 的作用，将空气流击碎，形成小气泡， 进而通过分散罩将气泡流分散在整个槽体内。吸气 口处的边界设置成开放边界条件，允许空气自由进 出。空气域上方边界条件设置成标准大气压。空气 口处没有任何其它结构来阻止空气呼出，当气体从 吸气口呼出时，也会将槽体内的一部分水带出槽外， 为此，空气室域能有效的收集这部分水，并在下次吸 气过程重新将水带回槽内。目前模拟存在的一个假 设就是在整个模拟过程中水的量始终保持不变。虽 然实际过程中水量不可能绝对保持不变，但是这是 一个可以实现的一个假设。同时，为了保证水不从 槽体边沿溢出，我们将槽体竖直增加一定高度，这个 域被称作溢出槽域。溢出槽域上方边界条件设置成 开放边界条件。应用S t e p 函数设置槽体内初始的 液位，水位线以下是的水，水位线以上是空气。溢出 槽域的功能在于叶轮旋转，空气卷吸自吸空气，气 体在液相积聚，允许液位上升，从而保证液相不流出 计算域。真实的槽体与增加的溢出槽域之间不需要 设置任何边界条件。 给定的初始条件只有叶轮的转速 9 9 7r ／r a i n ， 单一的气泡直径 1 ．0r a m 及进出口的开放边界条 万方数据 8 6 有色金属 选矿部分2 0 1 9 年第1 期 件。运用F l u e n t 软件来求解运输方程，采用E u l e r E u l e r 双流体模型对气一液两相流进行模拟仿真，研 究稳态条件下自吸气浮选机气一液两相流的流场 特征。 2结果与讨论 对自吸气浮选机流场结构和气相的分散的研究 有助于从侧面了解到浮选机的工作机理。图2 为竖 直平面内气含率云图，分析可知，气相的分散与实验 室观察的现象一致．主要集中在分散罩区及以上的 槽体内，同时一部分气体也能到达槽体中下部。液 相能在竖筒内很好的形成漩涡，与实验现象匹配。 a i r ．V o l u m eF r a c t i o n C o n t o u r2 图2 竖直平面气含率云图 F i g ．2 A i rv o l u m ef r a c t i o nc o n t o u ri nv e r t i c a lp l a n w a t e r ．S u o e r f i c i a lV e l o c i t y V e c t o r l 8 8 4 e 0 0 0 0 0 0 e o o O 图3竖直平面液相表观速度矢量图 F i g ．3 W a t e rs u p e r f i c i a lv e l o c i t yv e c t o r i nv e r t i c a lp l a n e 图3 为竖直平面液相表观速度矢量图，分析可 知，槽体内存在两个循环流，第一个主要的循环流出 现在槽体底部经过循环筒到达叶轮区；第二个循环 流出现在分散罩以下及假底以上的中部槽体，液体 沿着分散罩内壁直接进入到叶轮的下部参与循环， 这部分流体的流动很微弱。此循环对浮选过程所起 的作用还未理清，可以为自吸气浮选机的优化设计 提供一个方向。液相主要由叶轮的中部甩出。槽体 上部的循环是由于通过定子和分散罩稳流后的径向 流斜向上甩向壁面，从而形成一个上部大循环。综 合分析气含率云图及液相速度矢量图可知，液体通 过叶轮和定子问的间隙流向竖筒内，在离心力和重 力的作用下，水的压头不断升高，到达竖筒顶部时， 达到最大，并在重力的作用下抛落，同时包裹一定空 气，下落到叶轮的上端面，被旋转的叶轮向四周，实 现空气卷吸及分散，进而实现自吸空气。图4 为气 相表观速度矢量图，分析可知，气体主要在分散罩的 上排孔喷射出去，同时在定子和分散罩的小孑L 之间 与液相充分混合，形成小气泡。 图4气相表观速度矢量图 F i g ．4 A i rs u p e r f i c i a lv e l o c i t yv e c t o r 图5 为叶轮横切面气含率云图，分析可知， 矗一0m 时 定义为接近叶轮底面 ，基本上没有气体 从槽体内进入循环筒，少量气体积聚在叶轮的背浆 面，大量的水覆盖在叶轮的迎浆面；h 一0 ．0 3m 时， 可以看出叶轮腔内的气含率已经达到了一定值，气 含率分布比较均匀，接下来随着高度的增加快速增 加，在 一0 ．0 9m 时达到最大值，接下来随着h 的增 大而降低，这从侧面印证了气体和液体的混合流是 在叶轮的中部排出。 图6 为整个槽体内的3 D 流线图，可知，槽体下 部的还存在轴向流，定子及分散罩没有完全抑制住 周向流。 ㈣咖㈨咖叫咖㈣吆堇|薹|咖舱睢睢％∞舱％％c詈瞻％妣|兰|薹|桃|||||薹|搴|薹|妣薹| 万方数据 2 0 1 9 年第1 期 樊学赛等自吸气浮选机模拟研究 8 7 ●一 ∥◇1 ＼～／ 图5叶轮横切面气含率云图 h 一0 位于叶轮下端面 F i g ．5 A i rv o l u m ef r a c t i o nc o n t o u r si nh o r i z o n t a lp l a n e sc u t t i n gr o t o rb l a d e s 一0 ap l a n ej u s th e l o wt h er o t o r 图6槽体内的3 D 流线图 F i g ．6 3 Ds t r e a m l i n ei nt a n k T o t a lP r e s s u r ei nS t nF r a m e C o n t o u r1 80e0032 400e0033 0 0 0 e 0 0 3 L ，卜1 ． I卜 ． 广T ． 图7 为整个槽体内的压力云图，可知循环筒内 也存在很大的周向流，原因是由槽体下部的周向流 及叶轮插入循环筒内带动的周向流同时引起的。图 8 为叶轮面的压力云图，通过分析可知，叶轮的磨损 主要出现在叶片下端的尖角处。 T o t a lP r e s s u r ei nS t nF r a m e C n n l l 7 1 1 1 r1 图8叶轮面压力云图 F i g ．8 P r e s s u r eo nr o t o rb l a d e 图9 为气含率0 ．2 5 的等截面图，分析可知，气 体与水的混合物一部流经定子和分散罩的小孑L ，并 分散到槽体上部；另一部分则沿着分散罩内表面分 散到槽体下部。进而增加了气泡的停留时间。最终 在浮力的作用下所有气泡都排出到槽体外部。图1 0 为叶轮区气含率的监测值，可知，叶轮区的平均气含 率在0 ．8 左右。分散罩及上部槽体区气含率在0 ．2 5 左右，整个槽体内的真实气含率为0 ．0 9 左右，能与 、，． 一 厂 ＼ 譬k 舛M矾∞叭∞∞∞∞∞∞ 叶 叶 叶 叶 叶 外 叶 叶 叶舱瞻 5 7 9 2 4 6 8 5 8 5 2 6 6 6 7 7 7 7 O 2 ●l 4 m矗2名、寸m盘皇L i 3 3 3 2 1 l l 6 2 一 一 几㈠时譬■■■■●I胁 憎∞图叭云v力．m压叫内m体∞槽” 7 ㈣图陀P7 g F 万方数据 8 8 有色金属 选矿部分2 0 1 9 年第1 期 实验值很好的匹配。 a i r ．V o l u m eF r a c t i o n I s o s u r f a c el 图9 气含率0 ．2 5 等截面图 F i g ．9 I s o s u r f a c eo f2 5 ％a i rv o l u m ef r a c t i o n O O 瓣 缸 ‰ O F i g ．1 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 Z 囊1 5 0 辑 1 0 0 5 0 O - 5 0 步长 图1 0叶轮区气含率监测值 I n s t a n t a n e o u sa i rv o l u m ef r a c t i o ni nr o t o ra r e a 步长 图1 1 扭矩监测值 F i g ．11 I n s t a n t a n e o u st o r q u e 图1 1 为扭矩监测值，分析可知，在该条件下模 拟所得的功耗为6 1 7 ．8W 。 3结论 对自吸气浮选机气一液两相流进行了模拟仿真。 对浮选机槽内的气含率分布进行了研究，模拟结果能与 实验室现象很好的匹配，表明气体在槽内的分散合理。 研究了浮选机内的流场结构，可知，槽体内流场结构合 理，旋转的流体通过叶轮定子的稳流作用能形成很好的 径向流，同时，在槽体上部存在一个循环，槽体中下部存 在两个矿浆循环。通过后处理计算可知，吸气平均速率 为0 ．0 9m ／s ；循环量为0 ．5 4 ～o ．6 7m 3 ／m i n ；气体表观上 升速率为0 ．6 1m ／r a i n 。 致谢 本研究得到天津超算中心天河一1 的支持。 参考文献 [ 1 ] 沈政昌，陈建华．浮选机流场模拟及其应用[ M ] ．北京科 学出版社，2 0 1 2 4 5 ． [ 2 ] 刘文婷．新型浮选机数值模拟研究[ D ] ．天津河北工业大 学，2 0 1 1 ． [ 3 ] K U M A R E S A NT ，J O S H IJ B ．E f f e c to fi m p e l l e rd e s i g n ont h ef l o wp a t t e r na n dm i x i n gi ns t i r r e dt a n k s [ J ] ． C h e m i c a lE n g i n e e r i n gJ o u r n a l ，2 0 0 6 ，1 1 5 1 7 3 1 9 3 ． [ 4 ] P A T w A R D H A NA W ，J O S H IJ B ． R e l a t i o nb e t w e e n F l o wP a t t e r na n dB l e n d i n gi nS t i r r e dT a n k s [ J ] ． I n d u s t r i a l E n g i n e e r i n gC h e m i s t r yR e s e a r c h ，1 9 9 9 ，3 8 3 1 3 13 1 4 3 ． r 5 ] K O HP T I 。，S C H W A R ZM P ．C F Dm o d e l so fm i c r o c e l a n dJ a m e s o nf l o t a t i o nc e l l s [ C ] ．S e v e n t hI n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c eo nC F Di nt h eM i n e r a l sa n dP r o c e s s I n d u s t r i e s ，卜6 ，C S I R O ，M e l b o u r n e ，A u s t r a l i a ，2 0 0 9 ． [ 6 ] K O HP T L ，S C H W A R ZM P ．C F Dm o d e l l i n go fb u b b l e p a r t i c l ea t t a c h m e n t s i nf l o t a t i o n c e l l s [ J ] ．M i n e r a l s E n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 。2 4 4 7 6 4 8 8 ． [ 7 ] K O HP T L ，M A N I C K A MM ，S C H W A R ZM P ．C D F s i m u l a t i o no f b u b b l e p a r t i c l e c o l l i s i o n s i n m i n e r a l f l o t a t i o nc e l l s [ J ] ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ，2 0 0 5 ，2 4 3 7 6 - 3 8 5 ． E 8 3K O HP T L ，S C H W A R ZM P ．C F Dm o d e l l i n go fb u b b l e p a r t i c l ea t t a c h m e n t s i nf l o t a t i o nc e l l s [ J ] ．M i n e r a l s E n g i n e e r i n g ，2 0 0 6 ，1 9 6 1 9 - 2 6 ． [ 9 ] K O HP T L ，S C H W A R ZM P ．M o d e l l i n ga t t a c h m e n t r a t e so fm u l t i s i z e db u b b l e sw i t hp a r t i c l e si naf l o t a t i o n c e l l [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fM i n e r a lP r o c e s s i n g ， 2 0 0 8 ，8 9 4 6 5 8 ． 下转第9 9 页 O 0 1 O L 咖 枷 叫 埘 埘 畦 ∞ ％ ∞ ∞ 0 5 0 5 0 L z i 王 L 万方数据 2 0 1 9 年第1 期李国平等S X C T 型湿式高频谐波磁场磁选机在攀西钒钛磁铁矿中的应用 9 9 参考文献 [ 1 ] i J 其尤，陈波，张裕书，等．攀西地区钒钛磁铁矿资源特点 与综合回收利用现状E J ] ．矿产综合利用，2 0 1 l 6 6 - 7 ． [ 2 ] 李国平，尚红亮，王芝伟，等．新型磨前干式预选工艺在攀 西某钒钛磁铁矿的应用[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 8 2 5 7 - 6 0 ． [ 3 ] 刘熙光，邱克辉，张其春，等．关于钒钛磁铁矿综合利用可 持续发展问题的探讨[ J ] ．中国矿业，2 0 0 1 4 2 3 2 5 ． [ 4 ] 付冠文．浅析钒钛磁铁矿矿区表外矿综合利用的实践 [ J 1 ．中国矿业，2 0 1 0 8 6 2 6 5 ． [ 5 ] 张克仁，苏波．攀西钒钛磁铁矿石矿物工艺特征及其 粗粒抛尾选矿工艺[ J 1 ．中国地质科学院院报，1 9 8 6 1 5 2 4 6 2 6 0 ． [ 6 ] 廖祥文，张裕书，陈达，等．攀西低品位钒钛磁铁矿选矿试 验研究[ J 1 ．金属矿山，2 0 1 6 1 0 7 7 8 1 ． [ 7 1 武斌，曹俊兴，唐玉强，等．红格地区钒钛磁铁矿地质特 征及地球物理找矿的探讨[ J ] ．地质与勘探，2 0 1 2 1 1 4 0 一1 4 7 ． [ 8 ] 李国平，赵海亮，尚红亮，等．B G R I M M 新型磁选设备在 攀西钒钛磁铁矿重的应用[ J 1 ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 7 增刊1 8 5 8 8 ． [ 9 ] 杨耀辉，惠博，廖祥文，等．红格低品位难选橄辉岩型钒钛 磁铁矿石选矿试验[ J ] ．金属矿山，2 0 1 6 1 0 7 7 8 1 ． [ 1 0 ] 王芝伟．B K 系列永磁筒式磁选机研究及应用进展 [ c ] ／／中国矿业科技文汇2 0 1 5 ，2 0 1 5 4 - 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I n d u c i n gI m p e l l e r [ J ] ． C h e m i c a l E n g i n e e r i n g ＆ T e c h n o l o g y ，2 0 1 4 ，3 7 5 7 1 5 7 9 ． [ 1 6 ] H A s s A NF A Y E D ，S A A DR A G A B ．C F DA n a l y s i so f T w o P h a s eF l o wi nW E M C O - 3 0 0 m 3S u p e r c e l lrC ] ． S M E ／C M AA n n u a lM e e t i n g E x h i b i tF e b r u a r y ，2 0 1 3 ． 万方数据