基于CFD方法的KYF型浮选机叶轮后倾角度的影响研究.pdf

7 2 有色金属 选矿部分2 0 1 6 年第3 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 6 ．0 3 ．0 1 7 基于C F D 方法的K Y F 型浮选机叶轮后倾 角度的影响研究 樊学赛，史帅星，张明，吴峰 北京矿冶研究总院北京市高效节能矿冶技术装备工程技术研究中心，北京1 0 0 1 6 0 摘要应用C F D 方法研究了K Y F 浮选机不同后倾角度 o 。、1 5 0 、3 0 0 、4 5 0 、印o 、7 5 0 叶轮在五种不同叶轮转速条件下的 浮选机流场结构、叶轮循环量、功耗等关键参数。研究发现随着叶轮后倾角度的增加，浮选机流场结构具有相似性；后倾叶轮 比径向叶轮 后倾0 。 循环量平均大5 ％，不同后倾角度叶轮循环量相差不大；后倾角度的增加，功耗先减小后增大，后倾6 0 。 叶轮的功耗最小。叶轮转速的增加会导致叶轮循环量、功耗的明显增大，流场结构基本不变。 关键词C F D 仿真；浮选机叶轮；后倾叶轮；叶轮循环量；功耗 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 6 0 3 - 0 0 7 2 - 0 5 B a c k w a r dA n g l eo fK Y FF l o t a t i o nC e l lI m p e l l e rI n f l u e n c eS t u d yB a s e do nC F D F A NX u e s a i ，s H lS h u a i x i n g ，Z H A N GM i n g ，W UF e n g B e i j i n gE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e rO i ZE f f t c i e n ta n dE n e r g yC o n s e r v a t i o nE q u i p m e n to fM i n e r a lP r o c e s s i n g ， 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 A b s t r a c t T h ep a p e rd e m o n s t r a t e st h es t r u c t u r eo ff l o wf i e l d ，c i r c u l a t i o nv o l u m ea n dp o w e rc o n s u m p t i o nf o r d i f f e r e n tb a c k w a r da n g l e s 0 。，1 5 0 ，3 0 0 ，4 5 。，6 0 0 ，7 5 0 a tf i v er o t a t i o ns p e e d sf o raK Y Ff l o t a t i o nc e l lb yC F D ． I ti Sr e v e a l e dt h a tt h es t r u c t u r eo ft h ef l o wf i e l dr e m a i n sa l i k e ．r e g a r d l e s so ft h eb a c k w a r da n g l ea n dt h er o t a t i o n s p e e d ．H o w e v e r ，t h ec i r c u l a t i o nv o l u m eo ft h eb a c k w a r di m p e l l e ri sal i t t l el a r g e rt h a nt h er a d i a l 0 。 a ta v e r a g e 5 ％．a n db e t w e e nt h ei m p e l l e r sw i t hd i f f e r e n tb a c k w a r da n g l e s ．T h ep o w e rc o n s u m p t i o ns h o w st h et e n d e n c yt h a tt h e p o w e rc o n s u m p t i o nw i l ld e c r e a s ef i r s tb e f o r et h ea n g l er i s e sb y6 0 0 ，a n dt h e ni ti n c r e a s e s ．B o t ht h ec i r c u l a t i o n v o l u m ea n dp o w e rc o n s u m p t i o no fd i f f e r e n ta n g l e si n c r e a s ew i t ht h er o t a t i o ns p e e dr i s e s ． K e yw o r d s C F Ds i m u l a t i o n ；f l o t a t i o nc e l li m p e l l e r ；b a c k w a r di m p e l l e r ；c i r c u l a t i o nv o l u m e ；p o w e r K Y F 浮选机为典型的充气机械搅拌式浮选机， 已在国内外推广上千台套，其可靠性和选矿性能得 到了国内外矿山的普遍认可。K Y F 浮选机叶轮的独 特设计为高比转数、叶片后倾布置、双倒锥台结构型 式。叶轮腔内部配合有空气分配器，矿浆流和空气 流在叶轮腔内对流碰撞，提供颗粒矿化机会，实现了 K Y F 浮选机叶轮的预矿化。K Y F 浮选机的叶轮与 T a n k c e l l 、D o o r - O l i v e r 、R C S 、R I F 浮选机叶轮的重要不 同是独特的叶片后倾型式，如图l 所示。 随着计算机技术和流体力学的发展，计算流体 力学方法 C o m p u t a t i o n a lF l u i dD y n a m i c s ，C F D 已在 国内外浮选机的研究优化过程中起到了重要作用。 K o h 等人刮应用C F D 方法研究了0 ．8m 3 美卓浮选 基金项目国家自然科学基金资助 5 1 4 7 4 0 3 2 收稿日期2 0 1 5 旬5 ．．0 8修回日期2 0 1 6 - 0 3 ．1 7 作者简介樊学赛 1 9 8 9 ． ，男，河北石家庄人，硕士，助理工程师。 机的单相流流场，得到了全局流动特性，研究了叶轮 转速等参数对自吸气丹佛浮选机内的气泡一颗粒碰 撞、黏附概率的影响；X i a 等人【_ 刊研究了不同湍流模 型对O u t o t e c 浮选机流场模拟的影响，揭示了浮选机 的叶轮一定子作用机制；S a l e m S a i d 等人[ 8 1 研究了 D o r r - O l i v e r 试验型和工业型浮选机的单相流、两相流 的模拟；沈政昌等人【9 。研究了K Y F 浮选机单相流 及两相流C F D 仿真，对比了C F D 仿真和P I V 测试流 场的结果，研究了气相在槽内的分散情况。已有文 献中，对浮选机的叶轮角度研究很少，仅有离心泵或 风机等设备研究流体进出流道的角度及叶片宽度的 影响。 万方数据 2 0 1 6 年第3 期樊学赛等基于C F D 方法的K Y F 型浮选机叶轮后倾角度的影响研究 墅 T a n k c e l l 浮选机 ●■] ◆ D o o r - O l i v e r 浮选机 K Y F 浮选机 图1 不同浮选机叶轮 F i g ．1 D i f f e r e n ti m p e H e r so ff l o t a t i o nc e H s 本文应用C F D 研究分析了浮选机关键尺寸相同本文建立了0 ．2m 3K Y F 浮选机6 个不同后倾角 条件下，叶片不同后倾角度不同转速条件下对浮选 度的浮选机三维物理模型。为了利于网格划分，将浮 机关键性能参数的影响。 选机分为了叶轮区与槽体区，如图3 ，分别对其进行六 1 后倾叶轮C F D 仿真研究 K Y F 浮选机叶轮为后倾叶片设计，叶片相对旋 转方向 浮选机叶轮旋转方向为顺时针 有一个后倾 角度，如图2 中的卢角。不同后倾角度叶轮其余关 键尺寸保持一致，如d 。、d 、d ，、d 。、h 。、h ，本文研究了 不同后倾角度卢 0 。、1 5 。、3 0 。、4 5 。、6 0 。、7 5 。对浮选 机叶轮的影响，研究了不同条件下浮选机的流场结 构、叶轮循环量及功耗等相关参数。 ] 蹶纠 l [ 耵I 图2 K Y F - 0 ．2m 3 浮选机叶轮 F i g ．2 K Y F - 0 ．2m 3f l o t a t i o nc e Ui m p e U e r 面体结构网格划分。由于叶轮区湍流强度大，速度梯 度强烈，因此划分了更细的网格，网格数量约为4 0 万， 槽体区网格数量约为6 0 万，网格质量控制在o ．4 以 上，网格数量对模拟结果的影响控制在5 ％左右。 图3 浮选机不同区域网格 F i g ．3 D i f f e r e n tm e s hz o n e so ft h ef l o t a t i o nc e H 万方数据 7 4 有色金属 选矿部分2 0 1 6 年第3 期 湍流模型的确定对浮选机内部流场模拟结果的 影响很大，主要湍流模型包括标准k - e 方程、R N G k - e 方程和标准k - ￡方程等。不同的湍流模型适应 不同的流动环境，然而湍流模型的选取没有明确的 标准，多为根据经验、计算的精确度及收敛性确定。 本文采用了标准k - e 湍流模型，该湍流模型在国内 外浮选机的C F D 仿真研究中已取得了成功应用。多 采用标准k - e 方程，并已在之前的研究中取得了成 功应用。 C F D 计算中多重参考坐标系方法为最为经济、 普遍应用的模拟叶轮旋转的计算模型。浮选机模型 被分为两个子区域，叶轮区为动区使用旋转参考坐 标系，槽体区为静区使用静止参考坐标系。动区与 静区的数据传递通过动静交界面实现。不同子域的 控制方程通过相对速度交换。速度和速度梯度在旋 转参考坐标系与静止参考坐标系之间相互转化。 C F D 计算选择了高阶离散格式，计算的收敛残 差控制在1 0 。5 以下，并监测槽体内一点的速度值，计 算至监测点速度值波动控制5 ％以内。 2 结果与分析 2 ．1 后倾角度对浮选机流场影响 本文研究结果表明叶轮后倾角度的变化对浮选 机内流场结构的影响不大，流场结构类似于图4 。然 V e l o c i t yi nS i nF r a m er P r o j e c t i o n V P P I n r l 瞧2293e薰000 l } ． 图4 浮选机中轴面处速度流场 F i g ．4 V e l o c i t yf l o wf i e l da tt h ea x i a lv e r t i c a lp l a n e 而，由于叶轮后倾角度变化对浮选机内湍流强度影 响显著，图5 揭示了浮选槽内叶轮区湍动能约为槽 内其它区域的湍动能的上万倍，空气与颗粒在叶轮 区内对流碰撞，增大矿物颗粒的矿化概率，实现预矿 化的目的，而且高强度湍流有助于对底部矿浆的抽 吸，保证底部颗粒参与矿浆循环。其它区域湍流强 度很低，从而降低矿物颗粒的脱附概率，使得气泡一 颗粒集合体能够顺利运输至槽体顶部。在叶轮转速 3 1 5r ／m i n 下，对各后倾角度叶轮的叶轮区湍动能做 体积积分平均，如图6 所示。可以看出，叶轮后倾角 度0 0 1 5 0 湍动能变化不大；后倾角度在4 5 0 一6 0 0 问 湍动能急剧降低；后倾角度6 0 。时，叶轮区湍动能最 低；后倾角度6 0 0 一7 5 0 ，叶轮区湍动能增加。后倾角 度6 0 0 出现了平均湍动能拐点，充分说明后倾角度的 增大对浮选机关键参数的影响并非线性。 T u r b l u l e n c eK i n e t i cE n e r g y C o n t o u r1 图5 湍动能分布 F i g ．5 T u r b u l e n c ek i n e t i ce n e r g yd i s t r i b u t i o n 图6 后倾角度与湍动能的关系 F i g ．6R e l a t i o n s h i pb e t w e e nb a c k w a r d a n g l e sa n dt u r b u l e n c ek i n e t i ce n e r g y 2 ．2 后倾角度对浮选机关键参数影响 叶轮的循环量是浮选机的关键设计参数，表征 了浮选机循环矿浆的能力，可以定义为单位时间通 过叶轮区的矿浆体积流量。通常，工业浮选机的叶 轮循环量与浮选机容积比介于3 5 ，较大的循环量 有利于降低浮选机内短路流概率，使得有用矿物颗 粒能够更多地参与矿浆循环，并被有效回收。 浮选机的功耗也是表征浮选机性能的一个重要 参数，浮选机为选矿厂的主要作业设备，保证选别效 果的前提下，功耗的降低会很大程度上降低矿山生 产成本，节约能源。 因此，本文研究了6 个后倾角度叶轮，不同叶轮 转速下的循环量及功耗，仿真结果如表1 所示。 ∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞ m“钆孔厶九k＆m1 吣辑髂““挖砸弱吣哥 i t 蔓1 Z Z L L i n h O O O O 0 O O ．．堂．一、翟幅寝露牛凶辑古 万方数据 2 0 1 6 年第3 期樊学赛等基于C F D 方法的K Y F 型浮选机叶轮后倾角度的影响研究 7 5 表1不同条件下浮选机的关键参数 T a b l e1C r i t i c a lp a r a m e t e r so ff l o t a t i o nc e l l i nd i f f e r e n t c o n d i t i o n s 叶轮后倾 转速／ 功耗／功耗 循环量／ 循环量 角度／ 。 r m i n 。1 W 对比／％ m 3 r a i n “ 对H ／％ 1 9 58 l1 ．3 l 2 2 51 2 51 ．5 l O 2 5 5 1 8 21 ．7 2 2 8 52 5 41 ．9 2 3 1 53 4 32 ．1 2 注对比了各后倾角度与后倾0 。叶轮的功耗和循环量大小，其中 “ ”表示增大，“一”表示减小。 对于各后倾角度的叶轮，随着叶轮转速的增加， 各后倾角度叶轮循环量和功耗明显增大，其变化趋 势如图7 、图8 所示；相同转速下，随着叶轮后倾角度 的增加，功耗有先变小后变大的趋势，后倾6 0 0 叶轮 功耗最低；后倾叶轮在各个转速条件下比径向叶轮 后倾0 0 循环量平均大5 ％，各个后倾角度的叶轮 循环量相差不大，其中4 5 0 叶轮循环量最大，比径向 叶轮循环量大6 ％。 以叶轮转速3 1 5r ／m i n 为例，由图9 可以看出径 向叶轮 后倾0 。 比各后倾角度叶轮的功耗都大，比 后倾6 0 。叶轮的功耗大约1 6 ％，然而，后倾叶轮的循 环量均略大于径向叶轮，如图1 0 。因此，从浮选机的 水力学特性及功耗看，后倾叶轮相比径向叶轮具有 明显的优势。 是 标 。0 0 - 一1 5 0 。3 0 。 ／ ．t4 5 。 l ’／7 ；一 转速／ r r a i n 。 图7叶轮转速对各叶轮功耗的影响 F i g ．7 E f f e c to fm t a f i o ns p e e do np o w e r ， ．量 昌 ● 昌 鲫 酶 姆 转速／ r r a i n 。 图8 转速对各叶轮循环量的影响 F i g ．8 E f f e c to fr o t a t i o ns p e e do nc i r c u l a t i o nv o l u m e 曩 露 卜、 ．。 ＼ ．＼ ， ＼。／ ●●● 叶轮后侦角度， 。 图9 3 1 5r ／r a i n 叶轮后倾角度与功耗的关系 F i g ．9R e l a t i o n s h i pb e t w e e nb a c k w a r d a n s l ea n dp o w e ra t31 5r ／m i n 皇 ‘宣 0 1 面 _ 瞬 姆；厂V ●●●● 叶轮后倾角度“。 图1 03 1 5r ／m i n 叶轮后倾角度与循环■关系 F i g ．1 0R e l a t i o n s h i pb e t w e e nb a c k w a r da n s l ea n d c i r c u l a t i o nv o h m ea t315r ／m i n 万方数据 3结论 本文应用C F D 方法研究了不同后倾角度 0 。、 1 5 。、3 0 。、4 5 0 、6 0 。、7 5 0 叶轮，不同叶轮转速条件下的 浮选机流场结构、叶轮循环量、功耗等关键参数。从 浮选机的水力学特性及功耗看，后倾叶轮较之径向 叶轮具有明显的优势，后倾叶轮循环量略大于径向 叶轮，但其功耗却更低。 I 研究发现随着叶轮后倾角度的增加，浮选机 流场结构大体一致。 2 后倾叶轮比径向叶轮 后倾O o 循环量大5 ％ 左右，不同后倾角度问叶轮循环量相差不大。 3 随着后倾角度的增加，浮选机功耗有先变小 后变大的规律，后倾6 0 。叶轮的浮选机功耗最小。 4 叶轮的转速的增加会导致叶轮循环量、功耗 的明显增大，流场结构基本不变。 本文研究仅关注了浮选机内单相流动条件下， 叶轮后倾角度的影响。进一步研究可引入气相分布 作为浮选机叶轮研究的参考因素，对比分析不同后 倾角度对浮选机内气液分散特性的影响；不同的叶 片形状对浮选机性能的影响显著。本文的研究为后 续深入的研究奠定了基础。 4 志谢 C F D 计算由国家超级计算中心 天津 “天河一 号”超级计算机完成，感谢国家超级计算中心对此项 研究的支持。 参考文献 [ I ] C H A UTT ，B R U C K A R DWJ ，K O HPTL ，e ta 1 ．Ar e v i e w o ff a c t o r st h a t d f f e e tc o n t a c t 甜I d ea n di m p l i c a t i o n sf o r f l o t a t i o np r a c t i c e [ J ] ．A d v a n c e si nC o l l o i da n dI n t e r f a c e S c i e n c e ，2 0 0 9 ，1 5 0 1 0 6 - 1 1 5 ． [ 2 ] K O HPTL ，S C H W A R ZMP ．C F Dm o d e l l i n go fb u b b l e p a r t i c l ec o l l i s i o nr a t e sa n de f f i c i e n c i e si na f l o t a t i o nc e l l [ J ] ． M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ，1 6 1 0 5 5 1 0 5 9 ． [ 3 ] K O HPTL ，S C H W A R ZMP ．C F Dm o d e l l i n go fb u b b l e p a r t i c l e a t t a c h m e n t si 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 - 6 2 6 ． [ 4 ] K O HPTL ，S C H W A R ZMP ．C F Dm o d e lo fas e l f - a e r a t i n g f l o t a t i o nc e l l 『J1 ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o fM i n e r a l P r o c e s s i n g ，2 0 0 7 ，8 5 1 6 - 2 4 ． [ 5 ] K O HPTL ，S C H W A R ZMP ．M o d e l l i n ga t t a c h m e n tr a t e so f m u h 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 nc e l l [ J ] ． M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ，2 0 0 8 ，2 1 9 8 9 - 9 9 3 ． [ 6 ] K O HPTL ，S C H W A R ZMP ，Z H UY ，e ta 1 ．D e v e l o p m e n to f C F DM o d e l so fM i n e r a lF l o t a t i o nC e l l s [ C ] ．I nP r o c e e d i n g so f t h e3 r dI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo NC F Di nt } I eM i n e r a l sa n d P r o c e s sI n d u s t r i e s ，M e l b o m e ，A u s t r a l i a ，2 0 0 3 1 7 1 ．1 7 5 ． [ 7 ] X I AJ ，R I N N EA ，G R O N S T R A N DS ．e f f e c to ft u r b u l e n c e m o d e l so np r e d i c t i o no ff l u i df l o wi na nO u t o t e cf l o t a t i o nc e l l [ J ] ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ．2 0 0 9 ，2 2 8 8 0 - 8 8 5 ． [ 8 ] S A L E M ．S A I DA B D E L ．H A L I M ，F A Y E DH A S S A N ，R A G A B S A A D ．N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fT w o ．p h a s eF l o wi naD o r r O l i v e rF l o t a t i o nC e l l [ J ] ．M i n e r a l s ，2 0 11 3 2 8 4 - 3 0 3 ． [ 9 ] 沈政昌，卢世杰，史帅星，等．基于C F D 和P I V 方法的单 相K Y F 浮选机流场分析研究[ J ] ．有色金属 选矿部 分 ，2 0 1 3 2 4 7 - 5 2 ． [ 1 0 ] 沈政昌，卢匿杰，史帅星，等．基于P I V 的K Y F 浮选机单 相流场测试与分析[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 3 1 5 9 - 6 4 ． [ 1 1 ] 沈政昌，卢世杰，史帅星，等．K Y F 型浮选机内气泡特征 参数分析与探讨[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 3 6 4 4 4 9 ． 万方数据