基于流固耦合的給礦波動下的浮選機振動響應實驗性研究

高 軒 ,陳 強 ,牛 萌

(1.礦冶科技集團有限公司,北京 100160;2.礦物加工科學與技術國家重點實驗室,北京 100160;3.北京科技大學機械工程學院,北京 100083;4.天津市天河計算機技術有限公司,天津 300457)

1 浮選機葉輪耦合特征測試系統

浮選機為旋轉攪拌設備,葉輪在電機的帶動下高速旋轉攪動礦漿,傳統的有線采集技術已經無法滿足浮選機測試的需要,嚴重制約了浮選測試技術的發展。隨著智能采集和無線傳輸技術的發展,在復雜的浮選機內部測試葉輪的各項微觀參數成為可能[1]。

浮選機應用工況復雜,任何擾動均會導致浮選機內部流場的變化,流場變化進而引起葉輪、主軸的一系列響應[2-6]。作者通過流固耦合特征測試平臺,從宏觀和微觀兩個角度研究邊界條件發生變化時流場以及結構場的變化規律,揭示流固耦合的作用機制。圖1 為KYF-0.2 浮選機葉輪的實驗模型,1 點到24 點為葉輪表面的檢測點。

圖1 葉輪檢測點設置

圖2 為給礦波動模擬測試平臺,該平臺采用兩臺蠕動泵,其中一臺作為循環泵以模擬實際的礦漿循環流動,另一臺泵作為給礦波動泵以模擬實際的礦漿波動流動。為保證浮選機液位保持不變,避免液位高度的變化干擾實驗數據,所有流體在浮選機與泵之間進行循環流動。單次實驗時間為80 s,給礦波動前計時20 s,第20 s 給礦開始波動,持續時間20 s,后40 s 為穩定時間。

圖2 給礦波動實驗平臺

2 基于給礦波動特征測試系統的流固耦合響應分析

根據浮選機實際應用情況,點1、點4 和點24是現場磨損較嚴重的位置,因此,作者選取點1、點4和點24 做為實驗檢測點,分別記為P1、P4 和P24,監測三點分別在195 r/min、255 r/min、315 r/min 和345 r/min 的轉速條件下浮選機波動給礦20 L/min、30 L/min 和45 L/min 時的壓力情況,并對數據進行了處理分析。

2.1 P1 點迎漿面的壓力變化情況

圖3～圖6 為P1 點處迎漿面分別在195 r/min、255 r/min、315 r/min 和345 r/min 的轉速條件下的不同給礦波動條件下的壓力變化曲線。

圖3 195 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P1 點壓力變化

圖4 255 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P1 點壓力變化

圖5 315 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P1 點壓力變化

圖6 345 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P1 點壓力變化

對波動前后的數據進行了平均,具體數值如表1 所示。

表1 P1 點迎漿面的給礦波動前后壓力均值kPa

從圖3～圖6 為可以看出,P1 點迎漿面壓力在給礦增加時呈現輕微下降的趨勢。從表1 可以看出,P1 點迎漿面壓力變化幅值與轉速的關系不大,壓力值僅隨給礦波動量的增加而增加。

2.2 P4 點迎漿面的壓力變化情況

圖7～10 為P4 點處迎漿面分別在195 r/min、255 r/min、315 r/min 和345 r/min 的轉速條件下的不同給礦波動條件下的壓力變化曲線。

圖7 195 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P4 點壓力變化

圖8 255 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P4 點壓力變化

圖9 315 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P4 點壓力變化

圖10 345 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P4 點壓力變化

對波動前后的數據進行了平均,具體數值如表2 所示。從表中可以看出,給礦量突然增加時,P4 點迎漿面的壓力有下降趨勢,各轉速條件下的給礦波動壓力幅值變化均比較小且隨著轉速的增高壓力變化幅值沒有明顯增加。在同一轉速條件下,波動壓力變化幅值隨著給礦波動量的增加而增加。

表2 P4 點迎漿面的給礦波動前后壓力均值kPa

2.3 P24 點迎漿面的壓力變化情況

圖11～14 為P24 點處迎漿面分別在195 r/min、255 r/min、315 r/min 和345 r/min 的轉速條件下的不同給礦波動條件下的壓力變化曲線。

圖11 195 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P24 點壓力變化

圖12 255 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P24 點壓力變化

圖13 315 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P24 點壓力變化

圖14 345 r/min 條件下不同給礦波動的迎漿面P24 點壓力變化

對波動前后的數據進行了平均,具體數值如表3 所示。

表3 P24 點迎漿面波動前后壓力均值

從圖11～14 可以看出,在給礦量突然增加時,P24 點迎漿面葉輪表面壓力也會隨之升高。從表3可以看出,該點對給礦波動響應迅速,壓力值隨著波動量的增加逐漸增加,壓力值增長范圍在540～1 540 Pa,轉速越高,壓力值增加越明顯,在345 r/min 轉速和45 L/min 的給礦波動時,該點壓力增長至1 540 Pa,壓力增加顯著。

綜合對比來看,可以得到以下三條結論。

1)同一轉速下,P1 和P4 點迎漿面壓力隨著給礦量的增加而輕微減小,P24 點迎漿面的壓力隨著給礦量的增加而增加。

2)同一給礦量下,P1 點迎漿面的壓力隨著轉速的增加而增加,但是P4 和P24 點迎漿面的壓力隨著轉速的增加而減小。

3)同一轉速,同一給礦下,P1 點的壓力最大,P24 壓力值最小。

3 基于CFD 的浮選機給礦波動下流固耦合振動特性研究

浮選過程是一個十分復雜的物理化學變化過程,目前尚無十分完善的科學理論予以解釋。就浮選機而言,利用CFD 可視化方法直觀的揭示浮選機流固耦合振動機制是浮選機基礎研究的重要方面。因此,本文研究了浮選機全流場流動特征和流固耦合機制,對流場波動所引起的結構場變化進行了一系列分析,對流固耦合機制進行了微觀研究和量化。

3.1 浮選機網格劃分技術

物理模型的網格化對于CFD 流場模擬而言是十分基礎卻又非常關鍵的工作,某種程度上直接決定了計算的可靠性,甚至會直接影響到數值求解的問題。網格離散方法可以分為四面體網格、六面體網格以及混合網格三種。六面體網格適應性差,在很多復雜零件是很難用六面體網格離散的,四面體網格技術對復雜物理結構的適應能力很強,可以滿足任意的物理結構,考慮到浮選機的復雜的結構特點和工況條件,選用四面體網格劃分方法對浮選機進行網格劃分。

浮選機四面體網格化的難點在于如何避免在局部狹小區域出現網格畸變,特別是在葉輪葉片、定子區域的網格尺寸突變所引起的畸變。采用差異化網格尺寸處理方法,根據區域結構特點,根據局部位置的結構復雜性采用不同的網格尺寸對結構進行網格劃分,各區域之間通過建立的交界面進行數據傳遞。這種方法大大提高了四面體網格在浮選機仿真過程中的適應性,解決了絕大多數葉輪、定子系統的網格劃分問題。

3.2 網格數量和質量的影響

較好的網格質量和合適的網格數量對CFD 預測的準確性、可靠性以及計算成本等都非常重要。課題組對KYF-0.2 浮選機網格質量進行了網格敏感性分析。實驗型KYF-0.2 浮選機采用全四面體網格,對比分析了網格數量在586 589,682 996,796 830 情況下的流場數據,檢測點設置在距離葉輪盤上部5 cm 處,提取沿徑向的液相速度值大小分布,以此來分析網格數量對速度預測結果的影響。從圖15 中不難看出,網格數量的變化會造成預測結果的波動,當網格數量在682 996 與796 830 時,預測結果的波動較小,控制在5% 以內,故選用682 996 的網格。

圖15 四面體網格無關性驗證

3.3 給礦波動時的流固耦合振動特性分析

為了能夠模擬真實狀態下浮選機在給礦波動時的葉輪壓力變化,采用瞬態模擬的方式對給礦波動的浮選機內部流場進行了模擬仿真。由于數據量巨大且仿真電腦計算速度的限制,將模擬時間設置為8 s,流量由30 L/min 在第4 s 末突變至40 L/min、50 L/min、60 L/min,圖16 為流量從30 L/min 突變至60 L/min 的速度云圖。

圖16 流量突變前后速度場云圖

從圖16 和圖17 可以看出,進口管高度處于葉輪攪拌下循環進入葉輪攪拌區的位置,因此進口管進入的流體會被吸入葉輪攪拌區,參與到浮選機攪拌的上循環和下循環當中。

圖17 流量突變前后速度矢量圖

對浮選機葉輪的1 號、4 號和24 號點的迎漿面的壓力進行了檢測,圖18 為迎漿面1、24 號點的原始檢測圖。

圖18 迎漿面1#、24#點壓力檢測圖

從圖18 可以看出,在給礦波動的瞬間,葉輪表面的壓力值出現了明顯的變化,波動幅值明顯增大。但從圖中明顯可以看出,壓力激蕩的頻率沒有明顯變化,說明給礦波動沒有改變該點的振動頻率,僅對振動的幅值影響較大。

為了便于觀察三個檢測點壓力波動數值,對其中的每1 s 的數據取平均值,圖19 和圖20 為各點趨勢圖。

圖19 迎漿面1#、4#、24#點每秒平均壓力變化

圖20 不同流量下的壓力幅頻曲線

從圖19 可以看出:1 號和4 號點在迎漿面第4 s末流量增大后葉輪表面壓力呈現下降趨勢,這一壓力變化與實驗結論是吻合的。

在轉速195 r/min,循環流量為30 L/min 的條件下,分別對波動流量為0、10、20 與30 L/min 的迎漿面24 號點的壓力波動值進行FFT 變換,得到有兩個幅值較高的頻率,如圖20 所示:其中f(Ⅰ)=3.25 Hz,f(Ⅱ)=6.5 Hz。

研究分析發現,頻率3.25 正好為浮選機的葉輪旋轉頻率。同時還發現,為便于檢測浮選機,在葉輪的軸對稱的2 個葉片上分別設置了葉片壓力安裝孔。因此,可以認為是葉輪旋轉過程中每秒經過的葉片個數,即在195 r/min 的轉速下,每秒通過的壓力檢測葉片數量為3.25×2=6.5。從圖21 可以發現,葉輪的振動幅值隨著給礦波動量的增加而增加,由此我們可以得出結論:在外界工況條件發生變化并容易引起浮選機振動時,其葉輪發生振動的頻率完全由葉輪的結構決定,而振幅的大小則由工況條件的變化量決定。

圖21 不同流量下的幅值曲線

4 結論

文章建立了能夠模擬現場不同工況條件的流-固耦合實驗平臺,采用了嵌入式微型壓力傳感器和無線數據傳輸模塊對浮選機葉輪葉片的壓力變化情況進行了實時檢測,通過數據分析揭示了給礦速度變化時葉輪葉片壓力的變化規律。

1)給礦波動對浮選機葉輪的壓力變化影響顯著。

2)在外界工況條件發生變化并容易引起浮選機振動時,其葉輪發生振動的頻率完全由葉輪的結構決定,而振幅的大小則由工況條件的變化量決定。