射流微泡发生器气液两相流动测量与数值模拟

摘要

在浮选中，空气以气泡的形式分散在浮选体系中，气泡作为载体将粘附在其上的目的矿物带到液面。射流微泡发生器用于产生一定尺寸及数量的微泡，其结构参数直接影响浮选效率的提升，由于气泡在高速流体中运动时会发生聚并与破裂，该设备内部流场运动规律及行为异常复杂。 本文采用计算流体动力学（CFD）、粒子图像测试技术（PIV）和高速动态显微测量技术等研究手段，以实验室射流微泡发生器清水-气泡两相流场为研究对象，按照以下思路进行研究：首先进行了PIV和高速动态流场测试，通过数值模拟与实验数据对比，建立了适用于射流微泡发生器复杂流场计算的数值模型。在此基础上，通过PIV测量及利用已确定的数值模型对射流微泡发生器进行了优化设计。主要工作及结论如下： 搭建了实验室射流微泡发生器清水-气泡的测试循环体系，使用 PIV 及高速动态技术测试了单管45°向下进气结构在低气含率的两相流场，得到了气泡的速度、尺寸分布特征，为后续数值计算模型探究及结构优化后实验对比提供依据。 建立了适用于射流微泡发生器清水-气泡流场计算的两相流体动力学数值模型。对单管向下进气结构射流微泡发生器实施了数值模拟，通过与实验测量对比，结果表明：欧拉-欧拉双流体（E-E TFM）模型处理气液两相计算；基于群体平衡模型（PBM）中的Luo聚并模型和 Lehr 破裂模型计算气泡的聚并与破裂；使用重整化 RNG k-ε模型计算湍流；使用Tomiyama模型计算曳力；使用Tomiyama模型计算升力；使用Antal-et-al模型计算壁面润滑力；得到与实验测量最为一致的数值计算结果。基于上述计算模型，通过数值模拟结果分析单管向下进气结构气含率分布，表明在此结构中气泡存在偏心运动，实际工业应用会造成设备磨损。 进行了进气管数量优化，设计了双进气管结构，通过对此结构的射流微泡发生器进行的实验测量和数值模拟，结果表明：双管对称向下进气结构比单管向下进气结构可减小气泡的尺寸，使气泡的轴向速度和气泡的径向速度变大。双管对称向下进气结构可改善气泡偏心现象。 进一步在双管对称向下进气结构基础上，设计了双管向下且切向进气管结构，数值模拟结果表明：双管向下切向进气结构比双管对称向下进气结构使气泡分布更均匀。另外，也讨论了双管垂直切向进气结构，结果表明：双管向下且切向进气结构与双管垂直切向进气结构均可改善气泡偏心运动的现象，切向进气结构比垂直切向进气结构使气泡分布更均匀，且在改善气泡平均粒径方面切向进气结构较优。

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