基于数值模拟的气泡发生器结构优化研究_魏月友

1 气泡发生器结构与工作原理
模型选用某选煤厂离心浮选机所用的气泡发生 器，网格结构模型如图 1 所示，主要由喷嘴、吸气 管、混合室、喉管、扩散管构成。其中 d1 = 18 mm， d2 = 40 mm。
2.2 边界条件
矿浆入口选择速度入口，速度设为 3 m/ s；空气 入口选择滞止入口，初始设为外界大气压，通过形成 负压完成自吸；出口选择压力出口，为浮选机筒体对 气泡发生器扩散管的背压；壁面按无滑移条件处理，
分・选
自
吸气式离心浮选机是分选细粒物料的重要设 备， 而气泡发生器作为离心浮选机的核心部
件，其性能直接关系到分选效果。目前对于气泡发生 器参数和结构的研究多集中于理论计算和试验研究， 而建立普遍性理论和计算方法比较困难[1]。对于性能 的最优设计，所进行的试验周期较长、成本较高且费 时费力。陈文义、桂夏辉等人 [2-3]对气泡发生器结构 参数进行了理论分析，研究了Hale Waihona Puke Baidu响其性能的主要结 构参数，得到了相关参数的公式或范围；李浙昆、 Szabolcs V、Li Lin 等人 天、徐志强等人
域增大，损失增大。由于气泡发生器的混合室与喉管 的过渡段非圆弧过渡方式，而是锐角壁面，矿浆自喷 嘴出口至喉管段间，使气液相都获得了较大的速度， 湍动程度也于此处达到最大值。当喉管面积过小时， 气液相与过渡区域和喉管的壁面发生更剧烈的碰撞， 降低了气体速度。入料后主要提供给筒体内矿浆及矿 化气泡的旋转动力，速度增大可缩短矿化气泡在外筒 体的旋转周期，减小浮选时间。由图 3 可以看出，扩 散管出口速度随面积比变化出现一个峰值，速度最大 值在面积比为 3.57 处。
[7-9] [4-6]
1. 喷嘴 2. 混合室 3. 喉管 4. 扩散管 5. 吸气管 d1 — 喷嘴直径 d2 — 喉管直径
对其设计改进进行了数值
Fig. 1
图 1 气泡发生器网格模型 Meshed model of bubble generator
模拟，得到了内部三相流场分布；Sadatomi M、刘炯 对气泡发生器充气性能进行了试 验研究，对理论计算进行了验证，并得到了形成气泡 的尺寸分布，证实了气泡发生器适于微泡浮选。 目前气泡发生器相关结构参数多依据陆宏圻 [10] 和 Igor J K 等人[11]的喷射技术理论，对于特定的气泡 发生器，一些关键结构参数和尺寸数据并无相关设计 手册可查，一套成功气泡发生器的结构参数均需多次 试验，而内部复杂的工况和流型，造成了较高的测试 难度和研发成本。因此针对选煤厂反馈的气泡发生器 充气性能欠佳、气泡矿化不充分等问题，笔者利用数 值模拟的方法，综合多相流和计算流体动力学，对气 泡发生器不同面积比情况下的充气性能进行了对比分 析，得到了面积比对气泡发生器流场的影响，为气泡 发生器的结构优化提供思路。
参 考 文 献
[1] 段晨龙，赵跃民，伍玲玲．充气水介质分选床分选废弃电路板 的实验研究 [J]．中国矿业大学学报，2014，43(5)：915-919. [2] 李金惠，温雪峰．电子废物处理技术 [M]． 北京：中国环境科 学出版社，2006：7. [3] 赵跃民，段晨龙，何亚群．电子废物的物理分选理论与技术 [M]．北京：科学出版社，2009：4. [4] ZHAO Yuemin, DUAN Chenlong, WU Lingling. The separation mechanism and application of a tapered diameter separation bed [J]. International Journal of Environmental Science and Technology， 2012，9(4)：719-728. [5] LI Jinhui, DUAN Huabo, SHI Pixing. Heavy metal contamination of surface soil in electronic waste dismantling area：site investigation and source-apportionment analysis [J]. Waste Management & Research，2011，29(7)：727-738. [6] Gomes M I, Barbosa-Povoa A P, Novais A Q. Modelling a recovery network for WEEE：A case study in Portugal [J]. Waste Management，2011，31(7)：1645-1660. [7] 伍玲玲，段晨龙，谭之海．废弃线路板浮选试验的灰色模型研 究 [J]．矿业研究与开发，2012，32(3)：66-68. [8] 周恩会，赵跃民，段晨龙，等．变径水介质分选床工作原理及 分选机理研究 [J]．矿山机械，2012，40(1)：73-77. [9] 刘昆仑，赵跃民，张洪建，等．变径水介质分选床处理 - 0.5 + 0.125 mm 粒级废弃电路板的实验研究 [J]．矿山机械，2007， 16(4)：85-88. □ (收稿日期：2015-01-19) (修订日期：2015-03-09)
2.1 求解器设置
为提高计算精度，采取结构化网格模型划分定 向网格 (Directed Mesh)。采用有限体积法计算连续介 质模型，多相流模型采用 VOF 模型，湍流模型选择 Realizable - 模型，基于 SIMPLE 算法选用分离求解 器，耦合流场中的压力和速度，对流项采用二阶迎风 差分格式。
气泡发生器采用液气射流泵的原理，通过射流 矿浆对气体进行抽吸和破碎：矿浆由喷嘴高速射出， 压能转化为动能，使混合室产生负压，气体从吸气管 被卷入射流，剪切、破碎、成泡。大致可分为三段过 程：矿浆射流和气体相对运动段、液滴运动段、泡沫 流运动段，至此完成了引射气体并把气体分散成泡的 矿化过程。
2 数值方法和边界条件
(2) 当水流量为 1～2 m3/ h、充气量为 1～2 m3/ h、 给料量为 150～250 g、分选床倾角为 30° ～50° 时，对 四者水平合理组合，1～0.5 mm 粒级金属与非金属混 合物料中，精矿中金属含量最高可由原来的 6.56% 提 高到 15.165 4%，回收率最高可达到 95.509 7%，分选 结果相对原变径水介质分选床回收率提高了 3 个百分 点，分选效果较好； (3) 采用 Design-expert 软件建立了金属含量与试 验操作条件之间的关系模型，为充气水介质分选床的 进一步广应用提供了理论指导。
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本栏目编辑 张代瑶
Abstract：The bubble generator is the core component of the centrifugal flotator, whose structural parameters directly influence its aeration performance. The CFD software, STAR CCM+, was used to conduct two-phase flow numerical simulation on the flow field in the bubble generator at various area ratio, and parameters including velocity, pressure and suction capacity were obtained. The simulation results indicated: with other parameters remaining constant, the suction capacity gradually decreased with the increase in area ratio, and altered significantly while the area ratio was more than 3.57; the velocity at diffuser outlet increased first and then decreased with the increase in area ratio, and reached the maximum at the area ratio of 3.57; the negative pressure at the throat pipe decreased with the increase in area ratio. The simulation results demonstrated that the optimum area ratio of the throat pipe to the nozzle was 3.57, which provided reference for structural optimization of the bubble generator. Key Words：bubble generator; numerical simulation; area ratio; flow field; structural optimization
第 43 卷 2015 年第 6 期
本栏目编辑 张代瑶
基于数值模拟的气泡发生器 结构优化研究
魏月友1,2，孙 姣1,2，陈文义1,2
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河北工业大学化工学院 天津 300130 河北工业大学工程流动与过程强化研究中心 天津 300130
1
摘要： 气泡发生器作为离心浮选机的核心部件，其结构参数直接影响充气性能。运用 C F D 软件 STAR CCM+ 对气泡发生器不同面积比的流场规律进行了两相流数值模拟，得到了速度场、压力以及 吸气量等参数。模拟结果表明，在其他参数不变的情况下，吸气量随面积比增大呈降低趋势，面积比 大于 3.57 后吸气量变化明显；扩散管出口速度随面积比的增大而先增大后减小，在面积比 3.57 处出 现峰值；喉管处负压值随面积比增大呈减小趋势。根据数值模拟的结果，得出喉管与喷嘴的最佳面积 比为 3.57，为气泡发生器的结构优化提供了依据。 关键词：气泡发生器；数值模拟；面积比；流场；结构优化 中图分类号：TD456 文献标志码：A 文章编号：1001-3954(2015)06-0099-04
分・选
Study on structural optimization of bubble generator based on numerical simulation
WEI Yueyou1,2, SUN Jiao1,2, CHEN Wenyi1,2
基金项目：河北省自然科学基金资助项目 (E2012202109) 作者简介：魏月友，男，1988 年生，硕士研究生，研究方向为化工过程强化与优化。 通信作者：陈文义，男，1963 年生，博士，教授，主要研究方向为工程中流体力学问题、生物质能及过程强化。
第 43 卷 2015 年第 6 期
并用壁面函数法求解，取喷嘴入口中心处为坐标原 点。
3 模拟结果分析
面积比 (AR)，指的是喉管与喷嘴的面积之比， AR = d22/ d12，直接影响着气泡发生器的充气性能。根 据设计手册[11]中面积比为 3.3 ~ 5 的参数要求，保证 气泡发生器的其他结构参数不变，通过改变喉管直径 调节面积比，分别对面积比为 3.16、3.57、4、4.46、 4.94 (喉管直径分别为 32、34、36、38、40 mm) 的气 泡发生器的吸气量、速度及压力等参数进行数值模拟 研究。
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第 43 卷 2015 年第 6 期
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School of Chemical Engineering & Technology, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China 2 Research Center of Engineering Fluid & Process Enhancement, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China