CN101254485B - 一种微泡发生器的开发方法 - Google Patents
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Abstract
一种微泡发生器的开发方法，步骤如下：(1)利用CAD软件对微泡发生器进行初步结构设计；(2)建立微泡发生器的有限体积计算模型，并对模型进行网格划分并设定计算区域的边界条件；(3)应用商用CFD软件求解器对微泡发生器计算区域模型进行数值计算；(4)计算得到流速场、压力场及紊动能分布等参数；(5)修改微泡发生器结构尺寸，并对微泡发生器进行多工况分析；(6)对微泡发生器进行物理样机的制作，并进行物理实验，验证开发方法的正确性；该方法能够降低开发成本，增加设计的可靠性，缩短开发周期，集计算机数值仿真和物理实验为一体，本发明的方法也可用于其他流体机构的开发。
Description
技术领域
本发明涉及矿物加工中微泡浮选技术领域，具体涉及到一种微泡发生装置的开发方法及应用。
背景技术
微泡发生器是产生微泡的重要装置、是微泡浮选系统中的关键部件。在微泡浮选中，其重要关键技术之一在于如何获得尺寸、数量、分布、流型合理的微泡，微泡发生器性能的优劣对整个浮选装置的浮选效果、浮选速率影响很大，另外，微泡发生器的堵塞也一直是制约微泡浮选技术发展的瓶颈。这些与微泡发生器内流场特性有直接关系。目前，微泡发生器主要采用经验设计和物理实验手段设计，存在着设计制造周期长、加工成本高、试验测试方法繁琐等缺点，既不经济也不合理，不适应微泡发生装置的发展要求。随着计算机流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)研究的逐渐成熟和迅速发展，已经有望将CFD技术应用于微泡发生器的设计、分析和结构优化中。目前罕有关于对微泡发生器设计有实际指导意义的研究公开发表。
发明内容
本发明的目的是提供一种微泡发生器的开发方法，它集计算机数值仿真和物理实验为一体，开发设计的微泡发生器能够有效地产生微泡，能有效提高设计质量，降低开发成本，缩短开发周期，并且能够防止微泡发生器的堵塞，具备良好的流场特性。
本发明提出的开发方法已应用到微泡发生器的设计、分析和结构优化中，开发设计的微泡发生器可用于金属或非金属矿山、煤碳、造纸、废纸脱墨、工业废水处理等多种领域，该方法也可用于其它流体机构的设计开发。
本发明所提供的微泡发生器设计开发方法，设计思路如下：
采用计算机辅助设计(CAD)技术进行结构设计，并利用商用计算机流体力学软件CFD技术的可视化优势，确定微泡发生器内真空负压区的位置、紊动能的分布情况、空气、水、矿物各相的速度分布以及适宜的喷嘴出口速度，分析 喷嘴最易磨损的位置。同时对微泡发生器进行多工况分析，确定微泡发生器的最佳结构参数，预测微泡发生器的性能。并根据CFD技术分析结果确定的微泡发生器结构参数制作物理样机，进行物理实验，验证开发方法的正确性，达到快速设计制造优质微泡发生器的目的。
本发明所提供的微泡发生器设计开发方法，步骤如下：
(1)利用计算机辅助设计CAD软件对微泡发生器进行初步结构设计，确定微泡发生器各部分结构尺寸；
(2)建立微泡发生器的有限体积计算模型，对模型进行网格划分并设定计算区域的边界条件；
(3)应用商用CFD软件求解器对微泡发生器计算区域模型进行数值计算；
(4)计算得到流速场、压力场及紊动能分布等参数，确定计算区域内真空负压位置和喷嘴最易磨损位置；
(5)修改微泡发生器结构尺寸，对微泡发生器进行多工况分析，分析影响微泡发生器各结构尺寸对微泡发生器流场特性的影响，并确定微泡发生器的最佳结构尺寸；
(6)对确定最佳结构尺寸的微泡发生器进行物理样机的制作，并进行物理实验，验证开发方法的正确性。
本发明的有益效果是
本发明采用借助商用CFD技术设计微泡发生器，对于降低设计成本、缩短开发周期以及提高自主开发能力等方面都起到了十分重要的作用，本发明采用虚拟设计，可以尽早发现问题，进行结构修改，可以快速完成各种工况的模拟实验，获得与实际工况相一致的重要参考数据，可以方便进行多相流的各种流体动力学实验，以获得优质微泡发生器的快速开发，有着广阔的发展前景。
附图说明
图1是本发明采用的射流式微泡发生器计算区域图。
图2是本发明采用的射流微泡发生器模型网格划分图。
图3是本发明计算区域的气相速度分布云图。
图4是本发明计算区域的流体静压分布等值线图。
图5是本发明计算区域的紊动能分布等值线图。
图6是本发明采用的物理实验实施例的安装示意图。
图7是本发明采用的射流微泡发生器实验产生直径0.1-0.3mm的微泡图片。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的典型实施例作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明。
本发明方法采用CAD软件、CFD软件和实验相结合的方法对微泡发生器进行开发设计，本发明涉及的微泡发生器其原理是利用各占一定比例的空气、水、矿物混合物通过流体紊动扩散作用，产生均匀、微小的气泡，以适应微泡浮选的需要。在设计的微泡发生器内，气流被破碎成微泡，而且可以有效地解决微泡发生装置容易堵塞的问题。下面参阅附图以射流微泡发生器为例作具体说明。
图1是实施例的计算区域图，如图1所示，采用CAD软件进行绘制，各部分区域名称如下：1-喷嘴，2-吸气管，3-混合室，4-喉管，5-扩散管。
喷嘴、混合室、喉管、扩散管在同一中心线上，进气管垂直安装在吸气室进气口处。其工作原理是矿浆泵将一定比例混合的液、固混合物送入喷嘴1，依靠喷嘴内部截面的收缩使液、固混合物加速喷出，并形成一定的真空，空气通过吸气管2被卷吸入，并在混合室3内气液固三相强烈混合，将空气剪切成微小气泡，在喉管4内形成泡沫流，并从扩散管5送入浮选柱。
图2是实施例的网格划分图，如图2所示，采用CAD软件实现计算区域的几何建模，计算区域包括喷嘴，吸气管、混合室，喉管和扩散管。采用商用CFD的前处理软件GAMBIT对整个计算区域进行网格划分，采用四边形网格，四边形网格计算容易收敛，并对喷嘴出口网格加密。入口边界分别为速度入口边界条件和压力入口边界条件，具体是喷嘴内壁面和空气压力入口的边界条件；出口边界为压力出口边界条件，具体是气液固三相混合物压力出口的边界条件，本实施例中矿浆速度入口处的喷嘴入口速度3m/s，压力出口采用浮选柱背压为1.5m高水柱，即0.015MPa，压力入口设为：相对压力0MPa。
图3为本发明采用实施例的气相速度分布云图，图中左边数值表示该颜色所代表的流速值，单位为m/s。由图3可以看出，流场中清晰的显示，气相最大速度发生在喷嘴口附近，在进气口处可以见到强烈的卷吸作用，这主要是由于真空负压的作用将空气卷入混合室，同时也可见到混合室与喉管联接处的强烈混合作用。
图4为本发明采用实施例的静压分布等值线图，图中Y轴代表的压力值， 单位为Pa，X轴代表计算区域的位置，单位为mm。由图4可以看到，在喷嘴内静压非常高，且数值大致相等，但在喷嘴出口处压力突然降低，且最低静压值出现在喷嘴出口附近。静压的第二次峰值在混合室与喉管的联接处。
图5为本发明采用实施例的紊动能分布等值线图，图中Y轴代表紊动能，单位为m2/s2，X轴代表计算区域的位置，单位为mm。由图5可以看出在整个计算区域内出现两次紊动能峰值，第一次发生在混合室与喉管的联接处，第二次发生在扩散管偏上部，第一次峰值由气、液、固三相的强烈混合、传质造成，第二次由扩散管出口处的背压造成。了解了紊动能的分布可以很好的预测微泡发生器的发泡性能，进而优化微泡发生器的结构。
图6为本发明采用实施例的物理安装图，如图6所示，主要包括工作泵、流量计、压力表、微泡发生器、真空表、浮选柱体和精矿收集槽组成。
图7为本发明实施例物理实验产生的微泡图像。微泡直径在0.1～0.3之间，说明微泡发生器的开发方法是有效的。本实施例中采用喷嘴入口速度为：3m/s，压力出口采用浮选柱背压为：1.5m高水柱，即0.015MPa，压力入口为：相对压力0MPa。
在整个开发过程中，将对微泡发生器进行多工况分析，主要包括喷嘴结构参数、进气口直径的改变、混合室结构、喉管直径和长度的改变、扩散管锥度的改变以及操作参数的改变，如喷嘴入口速度、气、液、固三相的混合比例和改自吸为主动供气。并根据多工况分析结果，合理组合优化微泡发生器的设计，并重新进行结构设计，指导物理样机的制作，达到优化的目的。
Claims (6)
1.一种微泡发生器的开发方法，其步骤如下：
(1)利用计算机辅助设计CAD软件对微泡发生器进行初步结构设计，确定微泡发生器各部分结构尺寸；
(2)建立微泡发生器的有限体积计算模型，并对模型进行网格划分并设定计算区域的边界条件；
(3)应用商用CFD软件求解器对微泡发生器计算区域模型进行数值计算；
(4)计算得到流速场、压力场及紊动能分布参数，确定计算区域内真空负压位置和喷嘴最易磨损位置；
(5)修改微泡发生器结构尺寸，并对微泡发生器进行多工况分析，分析影响微泡发生器各结构尺寸对微泡发生器流场特性的影响，并确定微泡发生器的最佳结构尺寸；
(6)对确定最佳结构尺寸的微泡发生器进行物理样机的制作，并进行物理实验，验证开发方法的正确性。
2.根据权利要求1所述的微泡发生器开发方法，其特征在于：所述步骤(2)应用CAD软件实现计算区域的几何建模，计算区域包括喷嘴、吸气管、混合室、喉管和扩散管，用前处理软件GAMBIT软件对整个计算区域进行网格划分，采用四边形网格，入口为速度和压力边界条件，出口为压力出口边界条件。
3.根据权利要求1所述的微泡发生器开发方法，其特征在于：所述步骤(3)应用商用CFD软件对整个计算区域进行数值模拟，计算区域包括喷嘴、吸气管、混合室、喉管和扩散管，选用的湍流模型为标准κ-ε模型，计算方法采用定常的非耦合隐式算法，压力项采用二阶迎风格式，压力速度耦合采用SIMPLEC算法。
4.根据权利要求1所述的微泡发生器开发方法，其特征在于：所述步骤(4)基于CFD技术数值模拟结果，得到流速场，压力场及紊动能分布，通过CFD的可视化技术确定计算区域真空度和喷嘴边壁的剪切力。
5.根据权利要求1所述的微泡发生器开发方法，其特征在于：所述步骤(5)改变微泡发生器的结构尺寸和边界条件，对微泡发生器进行多工况分析，确定微泡发生器最佳结构。
6.根据权利要求1所述的微泡发生器开发方法，其特征在于：所述步骤(6)制作物理样机进行物理实验，集计算机辅助设计和计算机数值仿真为一体，验证开发方法的有效性。
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