高 軒 ,陳 強(qiáng) ,牛 萌

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司,北京 100160;2.礦物加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100160;3.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,北京 100083;4.天津市天河計(jì)算機(jī)技術(shù)有限公司,天津 300457)

1 浮選機(jī)葉輪耦合特征測(cè)試系統(tǒng)

浮選機(jī)為旋轉(zhuǎn)攪拌設(shè)備,葉輪在電機(jī)的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)礦漿,傳統(tǒng)的有線(xiàn)采集技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足浮選機(jī)測(cè)試的需要,嚴(yán)重制約了浮選測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。隨著智能采集和無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的發(fā)展,在復(fù)雜的浮選機(jī)內(nèi)部測(cè)試葉輪的各項(xiàng)微觀參數(shù)成為可能[1]。

浮選機(jī)應(yīng)用工況復(fù)雜,任何擾動(dòng)均會(huì)導(dǎo)致浮選機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的變化,流場(chǎng)變化進(jìn)而引起葉輪、主軸的一系列響應(yīng)[2-6]。作者通過(guò)流固耦合特征測(cè)試平臺(tái),從宏觀和微觀兩個(gè)角度研究邊界條件發(fā)生變化時(shí)流場(chǎng)以及結(jié)構(gòu)場(chǎng)的變化規(guī)律,揭示流固耦合的作用機(jī)制。圖1 為KYF-0.2 浮選機(jī)葉輪的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?1 點(diǎn)到24 點(diǎn)為葉輪表面的檢測(cè)點(diǎn)。

圖1 葉輪檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置

圖2 為給礦波動(dòng)模擬測(cè)試平臺(tái),該平臺(tái)采用兩臺(tái)蠕動(dòng)泵,其中一臺(tái)作為循環(huán)泵以模擬實(shí)際的礦漿循環(huán)流動(dòng),另一臺(tái)泵作為給礦波動(dòng)泵以模擬實(shí)際的礦漿波動(dòng)流動(dòng)。為保證浮選機(jī)液位保持不變,避免液位高度的變化干擾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),所有流體在浮選機(jī)與泵之間進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)。單次實(shí)驗(yàn)時(shí)間為80 s,給礦波動(dòng)前計(jì)時(shí)20 s,第20 s 給礦開(kāi)始波動(dòng),持續(xù)時(shí)間20 s,后40 s 為穩(wěn)定時(shí)間。

圖2 給礦波動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2 基于給礦波動(dòng)特征測(cè)試系統(tǒng)的流固耦合響應(yīng)分析

根據(jù)浮選機(jī)實(shí)際應(yīng)用情況,點(diǎn)1、點(diǎn)4 和點(diǎn)24是現(xiàn)場(chǎng)磨損較嚴(yán)重的位置,因此,作者選取點(diǎn)1、點(diǎn)4和點(diǎn)24 做為實(shí)驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn),分別記為P1、P4 和P24,監(jiān)測(cè)三點(diǎn)分別在195 r/min、255 r/min、315 r/min 和345 r/min 的轉(zhuǎn)速條件下浮選機(jī)波動(dòng)給礦20 L/min、30 L/min 和45 L/min 時(shí)的壓力情況,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理分析。

2.1 P1 點(diǎn)迎漿面的壓力變化情況

圖3～圖6 為P1 點(diǎn)處迎漿面分別在195 r/min、255 r/min、315 r/min 和345 r/min 的轉(zhuǎn)速條件下的不同給礦波動(dòng)條件下的壓力變化曲線(xiàn)。

圖3 195 r/min 條件下不同給礦波動(dòng)的迎漿面P1 點(diǎn)壓力變化

圖4 255 r/min 條件下不同給礦波動(dòng)的迎漿面P1 點(diǎn)壓力變化

圖5 315 r/min 條件下不同給礦波動(dòng)的迎漿面P1 點(diǎn)壓力變化

圖6 345 r/min 條件下不同給礦波動(dòng)的迎漿面P1 點(diǎn)壓力變化

對(duì)波動(dòng)前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均,具體數(shù)值如表1 所示。

表1 P1 點(diǎn)迎漿面的給礦波動(dòng)前后壓力均值kPa

從圖3～圖6 為可以看出,P1 點(diǎn)迎漿面壓力在給礦增加時(shí)呈現(xiàn)輕微下降的趨勢(shì)。從表1 可以看出,P1 點(diǎn)迎漿面壓力變化幅值與轉(zhuǎn)速的關(guān)系不大,壓力值僅隨給礦波動(dòng)量的增加而增加。

2.2 P4 點(diǎn)迎漿面的壓力變化情況

圖7～10 為P4 點(diǎn)處迎漿面分別在195 r/min、255 r/min、315 r/min 和345 r/min 的轉(zhuǎn)速條件下的不同給礦波動(dòng)條件下的壓力變化曲線(xiàn)。

圖7 195 r/min 條件下不同給礦波動(dòng)的迎漿面P4 點(diǎn)壓力變化

圖8 255 r/min 條件下不同給礦波動(dòng)的迎漿面P4 點(diǎn)壓力變化

圖9 315 r/min 條件下不同給礦波動(dòng)的迎漿面P4 點(diǎn)壓力變化

圖10 345 r/min 條件下不同給礦波動(dòng)的迎漿面P4 點(diǎn)壓力變化

對(duì)波動(dòng)前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均,具體數(shù)值如表2 所示。從表中可以看出,給礦量突然增加時(shí),P4 點(diǎn)迎漿面的壓力有下降趨勢(shì),各轉(zhuǎn)速條件下的給礦波動(dòng)壓力幅值變化均比較小且隨著轉(zhuǎn)速的增高壓力變化幅值沒(méi)有明顯增加。在同一轉(zhuǎn)速條件下,波動(dòng)壓力變化幅值隨著給礦波動(dòng)量的增加而增加。

表2 P4 點(diǎn)迎漿面的給礦波動(dòng)前后壓力均值kPa

2.3 P24 點(diǎn)迎漿面的壓力變化情況

圖11～14 為P24 點(diǎn)處迎漿面分別在195 r/min、255 r/min、315 r/min 和345 r/min 的轉(zhuǎn)速條件下的不同給礦波動(dòng)條件下的壓力變化曲線(xiàn)。

圖11 195 r/min 條件下不同給礦波動(dòng)的迎漿面P24 點(diǎn)壓力變化

圖12 255 r/min 條件下不同給礦波動(dòng)的迎漿面P24 點(diǎn)壓力變化

圖13 315 r/min 條件下不同給礦波動(dòng)的迎漿面P24 點(diǎn)壓力變化

圖14 345 r/min 條件下不同給礦波動(dòng)的迎漿面P24 點(diǎn)壓力變化

對(duì)波動(dòng)前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均,具體數(shù)值如表3 所示。

表3 P24 點(diǎn)迎漿面波動(dòng)前后壓力均值

從圖11～14 可以看出,在給礦量突然增加時(shí),P24 點(diǎn)迎漿面葉輪表面壓力也會(huì)隨之升高。從表3可以看出,該點(diǎn)對(duì)給礦波動(dòng)響應(yīng)迅速,壓力值隨著波動(dòng)量的增加逐漸增加,壓力值增長(zhǎng)范圍在540～1 540 Pa,轉(zhuǎn)速越高,壓力值增加越明顯,在345 r/min 轉(zhuǎn)速和45 L/min 的給礦波動(dòng)時(shí),該點(diǎn)壓力增長(zhǎng)至1 540 Pa,壓力增加顯著。

綜合對(duì)比來(lái)看,可以得到以下三條結(jié)論。

1)同一轉(zhuǎn)速下,P1 和P4 點(diǎn)迎漿面壓力隨著給礦量的增加而輕微減小,P24 點(diǎn)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(diǎn)迎漿面的壓力隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加,但是P4 和P24 點(diǎn)迎漿面的壓力隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小。

3)同一轉(zhuǎn)速,同一給礦下,P1 點(diǎn)的壓力最大,P24 壓力值最小。

3 基于CFD 的浮選機(jī)給礦波動(dòng)下流固耦合振動(dòng)特性研究

浮選過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的物理化學(xué)變化過(guò)程,目前尚無(wú)十分完善的科學(xué)理論予以解釋。就浮選機(jī)而言,利用CFD 可視化方法直觀的揭示浮選機(jī)流固耦合振動(dòng)機(jī)制是浮選機(jī)基礎(chǔ)研究的重要方面。因此,本文研究了浮選機(jī)全流場(chǎng)流動(dòng)特征和流固耦合機(jī)制,對(duì)流場(chǎng)波動(dòng)所引起的結(jié)構(gòu)場(chǎng)變化進(jìn)行了一系列分析,對(duì)流固耦合機(jī)制進(jìn)行了微觀研究和量化。

3.1 浮選機(jī)網(wǎng)格劃分技術(shù)

物理模型的網(wǎng)格化對(duì)于CFD 流場(chǎng)模擬而言是十分基礎(chǔ)卻又非常關(guān)鍵的工作,某種程度上直接決定了計(jì)算的可靠性,甚至?xí)苯佑绊懙綌?shù)值求解的問(wèn)題。網(wǎng)格離散方法可以分為四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格以及混合網(wǎng)格三種。六面體網(wǎng)格適應(yīng)性差,在很多復(fù)雜零件是很難用六面體網(wǎng)格離散的,四面體網(wǎng)格技術(shù)對(duì)復(fù)雜物理結(jié)構(gòu)的適應(yīng)能力很強(qiáng),可以滿(mǎn)足任意的物理結(jié)構(gòu),考慮到浮選機(jī)的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工況條件,選用四面體網(wǎng)格劃分方法對(duì)浮選機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

浮選機(jī)四面體網(wǎng)格化的難點(diǎn)在于如何避免在局部狹小區(qū)域出現(xiàn)網(wǎng)格畸變,特別是在葉輪葉片、定子區(qū)域的網(wǎng)格尺寸突變所引起的畸變。采用差異化網(wǎng)格尺寸處理方法,根據(jù)區(qū)域結(jié)構(gòu)特點(diǎn),根據(jù)局部位置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性采用不同的網(wǎng)格尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,各區(qū)域之間通過(guò)建立的交界面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。這種方法大大提高了四面體網(wǎng)格在浮選機(jī)仿真過(guò)程中的適應(yīng)性,解決了絕大多數(shù)葉輪、定子系統(tǒng)的網(wǎng)格劃分問(wèn)題。

3.2 網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量的影響

較好的網(wǎng)格質(zhì)量和合適的網(wǎng)格數(shù)量對(duì)CFD 預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性、可靠性以及計(jì)算成本等都非常重要。課題組對(duì)KYF-0.2 浮選機(jī)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行了網(wǎng)格敏感性分析。實(shí)驗(yàn)型KYF-0.2 浮選機(jī)采用全四面體網(wǎng)格,對(duì)比分析了網(wǎng)格數(shù)量在586 589,682 996,796 830 情況下的流場(chǎng)數(shù)據(jù),檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置在距離葉輪盤(pán)上部5 cm 處,提取沿徑向的液相速度值大小分布,以此來(lái)分析網(wǎng)格數(shù)量對(duì)速度預(yù)測(cè)結(jié)果的影響。從圖15 中不難看出,網(wǎng)格數(shù)量的變化會(huì)造成預(yù)測(cè)結(jié)果的波動(dòng),當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量在682 996 與796 830 時(shí),預(yù)測(cè)結(jié)果的波動(dòng)較小,控制在5% 以?xún)?nèi),故選用682 996 的網(wǎng)格。

圖15 四面體網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

3.3 給礦波動(dòng)時(shí)的流固耦合振動(dòng)特性分析

為了能夠模擬真實(shí)狀態(tài)下浮選機(jī)在給礦波動(dòng)時(shí)的葉輪壓力變化,采用瞬態(tài)模擬的方式對(duì)給礦波動(dòng)的浮選機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬仿真。由于數(shù)據(jù)量巨大且仿真電腦計(jì)算速度的限制,將模擬時(shí)間設(shè)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(chǎng)云圖

從圖16 和圖17 可以看出,進(jìn)口管高度處于葉輪攪拌下循環(huán)進(jìn)入葉輪攪拌區(qū)的位置,因此進(jìn)口管進(jìn)入的流體會(huì)被吸入葉輪攪拌區(qū),參與到浮選機(jī)攪拌的上循環(huán)和下循環(huán)當(dāng)中。

圖17 流量突變前后速度矢量圖

對(duì)浮選機(jī)葉輪的1 號(hào)、4 號(hào)和24 號(hào)點(diǎn)的迎漿面的壓力進(jìn)行了檢測(cè),圖18 為迎漿面1、24 號(hào)點(diǎn)的原始檢測(cè)圖。

圖18 迎漿面1#、24#點(diǎn)壓力檢測(cè)圖

從圖18 可以看出,在給礦波動(dòng)的瞬間,葉輪表面的壓力值出現(xiàn)了明顯的變化,波動(dòng)幅值明顯增大。但從圖中明顯可以看出,壓力激蕩的頻率沒(méi)有明顯變化,說(shuō)明給礦波動(dòng)沒(méi)有改變?cè)擖c(diǎn)的振動(dòng)頻率,僅對(duì)振動(dòng)的幅值影響較大。

為了便于觀察三個(gè)檢測(cè)點(diǎn)壓力波動(dòng)數(shù)值,對(duì)其中的每1 s 的數(shù)據(jù)取平均值,圖19 和圖20 為各點(diǎn)趨勢(shì)圖。

圖19 迎漿面1#、4#、24#點(diǎn)每秒平均壓力變化

圖20 不同流量下的壓力幅頻曲線(xiàn)

從圖19 可以看出:1 號(hào)和4 號(hào)點(diǎn)在迎漿面第4 s末流量增大后葉輪表面壓力呈現(xiàn)下降趨勢(shì),這一壓力變化與實(shí)驗(yàn)結(jié)論是吻合的。

在轉(zhuǎn)速195 r/min,循環(huán)流量為30 L/min 的條件下,分別對(duì)波動(dòng)流量為0、10、20 與30 L/min 的迎漿面24 號(hào)點(diǎn)的壓力波動(dòng)值進(jìn)行FFT 變換,得到有兩個(gè)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(fā)現(xiàn),頻率3.25 正好為浮選機(jī)的葉輪旋轉(zhuǎn)頻率。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),為便于檢測(cè)浮選機(jī),在葉輪的軸對(duì)稱(chēng)的2 個(gè)葉片上分別設(shè)置了葉片壓力安裝孔。因此,可以認(rèn)為是葉輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中每秒經(jīng)過(guò)的葉片個(gè)數(shù),即在195 r/min 的轉(zhuǎn)速下,每秒通過(guò)的壓力檢測(cè)葉片數(shù)量為3.25×2=6.5。從圖21 可以發(fā)現(xiàn),葉輪的振動(dòng)幅值隨著給礦波動(dòng)量的增加而增加,由此我們可以得出結(jié)論:在外界工況條件發(fā)生變化并容易引起浮選機(jī)振動(dòng)時(shí),其葉輪發(fā)生振動(dòng)的頻率完全由葉輪的結(jié)構(gòu)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(xiàn)

4 結(jié)論

文章建立了能夠模擬現(xiàn)場(chǎng)不同工況條件的流-固耦合實(shí)驗(yàn)平臺(tái),采用了嵌入式微型壓力傳感器和無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊對(duì)浮選機(jī)葉輪葉片的壓力變化情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)檢測(cè),通過(guò)數(shù)據(jù)分析揭示了給礦速度變化時(shí)葉輪葉片壓力的變化規(guī)律。

1)給礦波動(dòng)對(duì)浮選機(jī)葉輪的壓力變化影響顯著。

2)在外界工況條件發(fā)生變化并容易引起浮選機(jī)振動(dòng)時(shí),其葉輪發(fā)生振動(dòng)的頻率完全由葉輪的結(jié)構(gòu)決定,而振幅的大小則由工況條件的變化量決定。