矿物颗粒在旋流复合力场中运动行为的数值模拟

论文摘要

矿产资源是不可再生资源,随着人类的不断开采,富矿资源的储量急剧减少,矿产资源贫、细、杂的特点越来越突出。面对严峻的资源形势,研究人员越来越重视低品位、细粒级、难选矿石的分选研究,通过优化工艺流程、提高理论研究水平和完善分选装备,以实现矿产资源合理、高效利用。建立有效的复合力场来处理细颗粒矿物,人为地加大不同矿物颗粒间的运动差,是改善微细粒矿物分离指标的一种有效手段。水力旋流器作为采用离心惯性力与重力复合力场的典型设备,因其结构简单、占地面积小、安装方便、运行费用低、操作简单单等优良特性,被广泛地应用于矿物加工过程中的浓缩、脱泥、分级和分选等作业中。水力旋流器的结构虽然简单,但其内部流场却非常复杂,是典型的高度湍流的三维旋流流场。研究人员非常重视水力旋流器内部流场的测量与研究,并取得了许多成果。但是,人们对旋流器中颗粒的运动行为的研究还很不够。由于颗粒受力模型及研究手段的制约,使得对颗粒运动的研究没有取得突出的成果。本文采用计算流体力学的方法,选择FLUENT软件中的雷诺应力模型(RSM)对水力旋流器内部流场进行了数值模拟。通过模拟得出了流场内部压强、轴向速度、切向速度及径向速度的分布特点,所得结论与理论分析的结果基本一致；本文模拟了不同结构参数和操作参数时的水力旋流器流场,通过模拟研究了水力旋流器的锥角大小、底流口尺寸和给矿压强的变化对流场内部压强及轴向速度分布规律的影响,所得结果对旋流器的设计和选型提供了一定的技术支持；在流场模拟的基础上,本文运用FLUENT软件中提供的离散相模型(DPM),采用相间耦合计算的方法模拟了矿物颗粒在水力旋流器流场中的运动行为,通过模拟研究了粒度效应和密度效应对颗粒运动行为的影响,能够较准确的预测出水力旋流器的分离粒度,对颗粒的分级与分选过程有了更深入的理解。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 水力旋流器概述
• 1.1.1 基本结构及工作原理
• 1.1.2 旋流分离性能的影响因素
• 1.2 水力旋流器流场研究方法
• 1.2.1 数学解析法
• 1.2.2 实验测试法
• 1.2.3 数值模拟法
• 1.3 水力旋流器分离理论
• 1.3.1 平衡轨道理论
• 1.3.2 停留时间理论
• 1.3.3 群集理论
• 1.3.4 两相湍流理论
• 1.4 CFD方法简介
• 1.4.1 CFD方法的步骤
• 1.4.2 CFD软件简介
• 1.5 水力旋流器流场及颗粒运动研究概况
• 1.6 本课题的研究目的及主要内容
• 1.6.1 研究目的及意义
• 1.6.2 主要研究内容
• 第2章 水力旋流器流场模拟数值计算方法
• 2.1 流场模型的简化
• 2.2 湍流基本方程
• 2.3 湍流模型的分类
• 2.4 湍流模型的选择
• 2.4.1 标准K-E模型
• 2.4.2 RNG K-E模型
• 2.4.3 RSM模型
• 2.5 控制方程的离散
• 2.6 求解方法的选择
• 2.7 边界条件及初始条件的设定
• 第3章 水力旋流器流场的数值模拟
• 3.1 流场建模
• 3.2 网格划分
• 3.3 流场模拟结果与分析
• 3.3.1 压强分布
• 3.3.2 速度分布
• 3.4 小结
• 第4章 水力旋流器流场影响因素的数值模拟
• 4.1 锥角对流场的影响
• 4.2 底流口尺寸对流场的影响
• 4.3 给矿压强对旋流器流场的影响
• 4.4 小结
• 第5章 矿物颗粒运动行为的数值模拟
• 5.1 简化与假设
• 5.2 矿物颗粒在流场中的受力分析
• 5.2.1 径向受力分析
• 5.2.2 轴向受力分析
• 5.2.3 切向受力分析
• 5.3 固体颗粒的随机轨道模型
• 5.4 模拟结果与分析
• 5.4.1 粒度效应对颗粒运动行为的影响
• 5.4.2 密度效应对颗粒运动行为的影响
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢