CFD技术应用于螺旋选矿机结构优化的研究

摘要

随着矿产资源的逐渐贫化与枯竭，有用矿物的嵌布粒度越来越细，分选越来越难。为了获得足够高品质的选矿产品满足现代工业的需求，通过优化结构以提高分选效率是当今选矿设备的研究重点和发展方向。
　　螺旋选矿机作为一种重力选矿设备，自发明以来，因诸多优点得到了迅速发展和应用。特别是近年来，通过对螺旋槽结构的优化，研制开发出了许多型号的螺旋选矿机。但这些优化设计方法基本都是建立在试验经验模型研究的基础上，缺乏机理性研究。本文将计算流体力学（CFD）应用到螺旋选矿机的结构优化中，以提高螺旋选矿机分选效率为目的，主要研究内容包括：
　　（1）以北京矿冶研究总院研制的BL600螺旋溜槽（螺旋选矿机的一种）为基础，借助 FLUENT软件，利用多相流流场及离散相颗粒轨道模型，建立了螺旋溜槽分选流场CFD模型。并对其分选过程进行模拟仿真，通过将仿真结果与已有的螺旋溜槽分选机理及矿物颗粒运动轨迹研究结果进行对比分析，证明了建立的 CFD模型的可靠性。为螺旋槽结构的改进优化提供了一个数值模拟的研究平台。
　　（2）为提高螺旋溜槽的分选效率，本文提出在螺旋槽槽面增加一定结构形式的沟槽的优化方法，设计了多种刻槽结构方案，并建立相应的CFD模型。借助FLUENT软件进行正交模拟试验。同时针对模拟试验结果提出颗粒进入螺旋槽内缘最短时间为最优方案的评价机制。通过分析评价，最终获得了最优的螺旋槽刻槽结构方案。
　　（3）依据正交模拟试验获得的最优结构方案，以标准型BL600螺旋溜槽为基础，制作了一头最优结构方案样机。为了验证优化样机的可信性，在实验室将制作好的本研究样机与标准型BL600螺旋溜槽各取一个头安装于同一台BL600螺旋溜槽支架上，建立重选试验系统，进行硫铁矿分选对比试验研究。对比试验结果表明，本研究样机的分选性能明显优于标准型螺旋溜槽，也验证了本文提出的“CFD模型-正交模拟试验-最优结构方案”的螺旋溜槽（螺旋选矿机）结构优化研究方法的可行性和可信性。
　　本文将CFD技术应用于螺旋溜槽流场建模中。首次利用CFD技术与正交模拟试验法实现了螺旋槽刻槽结构的优化，提出了适用的分选效果评价机制。并通过实验室对比试验研究，对优化方法和结果进行了验证。为螺旋选矿机（螺旋溜槽）的优化研究探索出了一条新路，对于提高工业型螺旋选矿机（螺旋溜槽）的分选效率具有一定的指导意义。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 螺旋溜槽的发展现状

1.3 螺旋溜槽分选机理研究现状

1.4 课题技术路线及研究内容

第二章 计算流体力学及分选过程模拟基础

2.1 引言

2.2 CFD技术及其在选矿领域的应用

2.3 多相流流场数值模拟基础

2.4 离散相颗粒轨道模型数值模拟基础

2.5 本章小结

第三章 螺旋溜槽分选流场CFD模型的建立及仿真研究

3.1 引言

3.2 BL600螺旋槽三维模型设计

3.3 螺旋溜槽分选流场模型建立

3.4 BL600螺旋溜槽分选流场仿真结果及其分析

3.5 离散相颗粒轨迹模拟

3.6 离散相颗粒轨迹模拟结果

3.7 本章小结

第四章 螺旋槽结构优化设计方案及CFD模型模拟仿真正交试验

4.1 引言

4.2 螺旋槽结构优化设计方案

4.3 正交试验方法

4.4 刻槽型螺旋溜槽数值模拟正交试验

4.5 正交试验结果处理及分析

4.6 最优方案的确定及其验证

4.7 本章小结

第五章 优化方案的样机制作及其实验室试验验证研究

5.1 引言

5.2 本文优化方案样机的制作

5.3 实验室分选试验系统的建立

5.4 分选试验

5.5 试验结果及分析

5.6本研究的工业应用实现方案及价值

5.7 本章小结

第六章 结论及展望

参考文献

附录A 化验结果单

致谢

攻读学位期间的研究成果