周伟;朱金波;闵凡飞;冯岸岸;张勇
【摘 要】以喷射式浮选机射流搅拌装置结构优化为目的,选用合理的CFD数值模拟计算方案,综合考查引射性能和流场特性两个指标,对面积比、喉嘴距、喉管长度、引射管布置方式和位置进行优化计算;设计了长喉管、短喉管、导流叶片喷嘴和无导流叶片喷嘴共4组不同结构参数的射流搅拌装置试验,考查并验证了喉管长度和喷嘴内导流叶片对引射能力的影响;采用激光粒子测速仪测试了喷嘴内导流叶片对射流流束形态演变的影响.结果 表明:面积比a=1.96～3.24,喉嘴距Le=0.2Dh ～0.6Dh(Dh为喉管直径)、引射管采用双侧对称布置、喷嘴内设置导流叶片及喉管长度在6Dz～12Dz(Dz为喷嘴直径),射流装置的混合效率最理想,引射管布置位置对混合效率影响较小;喷射室压力在0.145 ～0.160 MPa时,喷嘴内设置导流叶片,长、短喉管吸气能力平均至少提高30.73％和33.94％,引射管全开时长喉管较短喉管的吸气能力高出15％以上.结构参数对流场的影响表现在,面积比增大及引射管靠近喷嘴出口布置,喉管流流束的中心速度衰减越快,喉嘴距变化对中心速度的衰减影响较小;喉管长度≤6Dz时,流束中心的流核一直持续到喉管出口,引射流体和工作流体在喉管内动、质量交换不完全;喷嘴内设置导流叶 片,有利于流束中心的流核区减小,原因是流束以旋转射流的形式从喷嘴喷出,形成了更有利于工作流体与引射流体动、质量交换的湍流流场;基于理想的引射性能和流场特性,面积比a=3.24、喉嘴距Le=0.6Dh、引射管采用双侧对称且正对流核区域布置方式、喷嘴内设置导流叶片及喉管长度在6Dz～12Dz为射流搅拌装置的最优结构参数.
【期刊名称】《煤炭学报》
【年(卷),期】2019(044)007
操口红【总页数】7页(P2260-2266)
【关键词】射流搅拌装置;数值模拟;结构优化;流场分析;混合效率
【作 者】周伟;朱金波;闵凡飞;冯岸岸;张勇
胞苷酸【作者单位】安徽理工大学材料科学与工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学材料科学与工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学材料科学与工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学材料科学与工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学材料科学与工程学院,安徽淮南232001
【正文语种】中 文
【中图分类】TD923
局域表面等离子体共振喷射式浮选机是采用喷射旋流方式粉碎空气，使空气溶解后再析出的一类浮选机，其充气量大，可以形成“微泡”浮选，近年来广泛应用于黑和有矿物分选[1-3]。但是目前关于喷射式浮选机的研究多集中在实践应用领域，对其理论研究，仅限于吸气机理、吸气量和浮选机内充气均匀程度，关于核心部件射流搅拌装置的结构参数对内部流场分布特征的影响规律，及其作用规律指导下结构优化的研究鲜有报道。近年来，广大学者广泛采用流体力学方法对浮选装置的结构参数及内部流场进行测试和优化，取得了丰硕的研究成果;沈政昌等[4]利用计算流体力学软件对320 m3大型机械搅拌式浮选机流场进行了模拟，对其结构参数进行了优化;刘炯天等[5]对浮选柱的流场特征开展了大量数值模拟研究，改进了浮选柱的结构参数;朱金波等[6]采用流体动力学方法分析了FJC(A)浮选机充气搅拌装置流场状态及能量损失组成;刘春艳等[7]利用Fluent软件分析了XJM-S8型浮选机内流场的运动规律;J TIITINEN等[8]研究了OK浮选机中流体状态与浮选机结构间的关系;XIA Jiliang等[9]通过单相流场模拟研究了浮选槽中矿浆的流动轨迹;唐堃等[10]对JFC-150大型机械搅拌充气式浮
选机的数值模拟，获得了叶轮结构对浮选机内部流场特性的影响规律;袁清辉等[11]对旋流浮选机速度场、压力场对浮选的影响进行了模拟分析;袁寿其等[12]对全射流喷头内部流场进行了模拟，获得了附壁状态以及直射状态下的速度矢量图和压力分布图;李红等[13]基于附壁射流理论对全射流喷头射流元件进行设计;CHENG G等[14]设计了逆流式、旋流式和射流式3种类型的浮选柱，采用图像分析技术讨论了循环速率对气泡分布的影响;SUN Y等[15]研究了叶轮转速的提高对细颗粒物料浮选性能的影响;NI C等[16]研究了射流气泡发生器对粗颗粒煤浮选的影响;MENG J等[17]研究湍流流场对浮选性能的影响;TABOSA E等[18]研究了浮选槽中能量的耗散及涡流的分布对浮选动力学的影响。笔者选取近年来尚未研究深入的射流搅拌装置，通过流体力学数值模拟计算对其关键结构参数进行优化，并开展装置吸气能力测试试验和流场测试试验，试验结果相互佐证，为其结构优化和改进提供理论指导。
1 射流搅拌装置
1.1 结构及工作过程
装置结构如图1所示。主要结构包括喷射室1、混合室2、喷嘴3、引射管(吸气管)4、喉管5
和扩散管6。结构参数分为固定参数和可变参数，可变参数即为需要优化的结构参数;固定参数在相关文献[19-20]中提及的优化值范围内取值:喷嘴收敛角为15°，喉管扩散角为10°，扩散管长度为50 mm，入料管直径为30 mm;引射管直径为5 mm;待优化的结构参数有:面积比a(喉管直径Dh与喷嘴直径Dz之比平方)、喉嘴距Le(喷嘴出口与喉管入口的距离)、引射管位置及布置方式(单侧布置或对称布置)、喉管长度L、喷嘴样式(普通喷嘴或喷嘴内设置4个导流叶片)等5个参数，面积比a的改变是通过固定喷嘴直径Dz，改变喉管直径Dh实现。
图1 试验装置结构和工作参数Fig.1 Test device structure and operating parameters
149aa工作流体以vg=2 m/s的速度进入喷射室，根据不可压缩流体质量公式，以vh=18 m/s的速度从喷嘴喷出，在混合室内腔形成负压吸入引射流体，引射流体在射流作用的冲击和切割下被分散，与工作流体混合后由扩散管喷出。
1.2 装置性能评价指标银触点标准
1.2.1 引射性能
为了统一描述不同工作参数和结构参数下的射流搅拌装置性能，工程上一般采用无量纲参
数压力比p、流量比q、混合效率η与结构参数的关系曲线来评价射流装置的引射性能;其中压力比p表征装置的能耗，流量比q表征装置的引射性能，混合效率η表征装置的整体性能。
η=100pq
式中，p′g，p′y，p′c分别为工作流体、引射流体、混合流体的总压强，MPa;Qg，Qy，QC分别为工作流体、引射流体、混合流体的流量，m3/h。
1.2.2 流场特性
流场特性通常包括压力场特性、速度场特性和湍流强度特性[21-23]。射流装置内不同部位的静压力差，可以反映装置内管路的阻力损失情况;速度场可以直观反映流体动量交换情况;湍流强度能一定程度上反映卷吸混合强度。
2 试验手段及测试方法
2.1 数值模拟计算
2.1.1 网格类型和剖分方式
利用Gambit对模型进行网格划分并进行网格无关性验证，喷射室、喷嘴、喉管、扩散管采用六面体Hex网格划分，引射管、混合室采用四面体Tgrid网格划分。选取的网格间距如下:喷射室和喷嘴First Length间距为1.0 mm，喉管和扩散管First Length间距为0.5 mm，混合室网格间距为1.2 mm，引射管网格间距为0.3 mm。
2.1.2 求解器参数及边界条件设置
求解器选择体积函数法，对流项等各参数的离散均采用精度高的二阶迎风格式，速度和压力的耦合方式采用SIMPLEC模式，收敛精度设置为10-4;紊流模型选择Realizable k-ε模型，Near-Wall Treatment选择Standard Wall Functions;工作流体选择水，密度1 000 kg/m3，黏度0.001 MPa·s，引射药剂选择煤油，密度800 kg/m3，黏度0.002 5 MPa·s。
入料管进口采用速度边界条件，引射管进口采用压力边界条件，相对压力设置为0 MPa;扩散管出口采用压力边界条件，壁面为无滑移边界条件，近壁区采用标准壁面函数处理。
2.1.3 数值求解方案的理论验证
射流搅拌装置的结构属于文丘里管类型，对于不设引射管的文丘里管可进行理论计算，在喷射室入口和扩散管出口列伯努利方程，计算得喷射室入口静压强P1=119.609 kPa，扩散管出口静压强P2=-78.945 kPa;为了验证数值求解方案的正确性，输出网格模型，设置相同的入口和出口边界条件，运用Fluent进行计算，计算得P1=114.459 kPa;P2=-75.908 kPa;对比理论计算值和Fluent计算，P1偏差为4.50%，P2偏差为4.00%;对于数值计算，偏差小于5%在可接受的范围内，说明所采用的计算方法正确，数值求解方案合理。
飞机操纵杆
2.2 射流搅拌装置试验设计
制作长喉管(L=9Dz)、短喉管(L=3Dz)、导流叶片喷嘴和无导流叶片喷嘴等部件，设计4组试验，每组试验次数为16次，做平行试验2次，通过调节循环螺杆泵的出口压力和引射管的开启度，分别选取4个试验水平，喷射室压力为0.145，0.15，0.155和0.16 MPa;引射管开启度为14.24%，37.36%，62.65%和100%。考查引射管的吸气量和喷嘴处的真空值与喉管长度、导流叶片形式、工作压力和引射管开启度的关系。为了方便分析数据，以字母代号代表试验状态，长喉管代号为L;短喉管代号为S;带导流叶片代号为Y;不带导流叶片代号为N;引射管开启度和喷射室压力以具体数值代表。
2.3 流场测试试验
为了了解喷嘴内导流叶片对流束的影响，采用激光粒子测速仪(PIV)(型号:Vlite200)，捕捉喉管内流体流动情况，流场测试系统如图2所示。
图2 流场测试系统的构成Fig.2 Structure of flow field test system
图2中,PIV测试系统包括物料箱1、控制阀2、螺杆泵3、压力表4、流量计5、高压管6、射流装置7、激光发射头8和试验槽9。根据射流装置内流体分布特点，选取A，B两个拍摄截面。
3 数值模拟计算结果与讨论
3.1 结构参数对混合效率的影响
由于待优化的结构参数较多，采取分方案逐步寻各参数最优值的方法;方案1寻面积比a和喉嘴距Le的最优值范围，引射管布置在正对喷嘴出口的位置，采取两侧对称布置方式，喉管长度L=120 mm，喷嘴为普通喷嘴，计算结果如图3(a)，(b)所示;在方案1计算基础上，
设计方案2探讨引射管最佳位置参数，引射管正对喷嘴出口为0点位置，以一定距离为一个步长，沿混合室向左侧移动为-X轴方向，向右侧移动为+X轴方向，计算结果如图3(c)所示。由图3可知，面积比a在1.96～3.24，喉嘴距Le在0.2Dh～0.6Dh时混合效率最高，引射管布置位置对射流搅拌装置的混合效率影响较小，最理想的位置为喷嘴出口左侧1/4Lz～1/2Lz(Lz为喷嘴长度)的区域。
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