第 1 章 绪论
1.1 课题的目的及意义
矿产资源大量地存在于大自然中，但是不能够直接被人类利用，且有用矿物和无用矿物通常共生在一起。为此，需要针对不同矿物的物理及化学性质的不同，利用各类选矿设备将有用矿物和无用矿物进行分离，以达到有用矿物的相对集中，这个过程称为选矿。对于不同类型的矿石，选矿方法不能一概而同，应该针对选矿产品的要求，采用不同类型的选矿方式。当前，重选法、电选法、磁选法、浮选法是较为常用的选矿方式，其中，磁选法在选矿领域中应用最多[1]。有用成分在进入浮选机前，需要在搅拌桶中与药物搅拌均匀，即调浆。在调浆的过程中，矿物颗粒需要进一步磨细，保证磨细的矿粉和浮选药剂拥有足够的反应时间，同时实现矿物颗粒在搅拌容器内实现较为均匀的分布[2]。搅拌桶内的叶轮带动内部流体旋转，使搅拌容器内形成一定的容积循环，以保证矿浆和浮选药剂充分作用。本机适用于选矿业，也可用作各种化工业的搅拌。搅拌桶适用于各种金属矿，主要用于浮选前的搅拌，使药剂与矿浆充分混合，也可用于其他非金属矿物的搅拌。矿浆搅拌机的性能好坏对浮选效果有着举足轻重的影响，对于浮选过程来说不可或缺[3]。近年来，对矿产资源的开采量逐年递增，导致我国矿产资源呈现出“贫、细、杂”的特点，为此，在选矿过程中需要提高矿产资源利用率，这就需要将浮选过程中的矿石磨成细粒乃至微细粒的尺度。但是尺寸过细的矿物颗粒会聚集在搅拌容器中，其中会包含无用的矿石成分，这会大大影响浮选药剂与矿物颗粒表面的充分作用。与此同时，在大多数的搅拌过程中，流体都会形成水平方向的径向循环，这会造成矿浆和浮选药剂还没有进行充分地混合作用便随着表层物料流出，造成浮选过程中的短路现象，影响后续矿化过程中的气泡有效黏附能力，降低有用矿物和无用矿物的分离效果。由此可知，调浆这一过程必不可少，决定了能否实现有效矿化及有用矿物和无用矿物的分离。
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1.2 矿浆搅拌工艺与搅拌装置
矿浆搅拌一般属于固体颗粒悬浮的范围。为了达到固体颗粒的悬浮，对搅拌叶轮的流量需要进行一定的控制。固体颗粒在流体中产生悬浮与矿浆的物理性质密切相关。矿浆的物理性质包括固体密度、颗粒大小、流体中含固体的百分比浓度、流体密度和粘度等。矿浆中的矿物颗粒受重力和浮力的共同作用，矿物颗粒的密度和粒度越大，重力对其作用效果越大，因而会具有较大的沉降速度[5]。另一方面，当流体的密度或粘度增大时，固体颗粒的沉降速度变慢，这是因为流体的密度和粘度大对被包容的固体颗粒的运动产生的阻滞或抑制作用增大了。在浮选过程中，有三种促进物料混合的方法[6]：（1）机械搅拌。通过叶轮的搅拌作用，带动内部流体的旋转，增进药物和矿浆的充分作用以达到混合。（2）静态混合。将若干混合单元放置在管道或相关装置内，在静压力下使物体通过，此过程中会被反复分割和复合多次，以达到混合的目的。（3）射流混合。喷嘴可以产生速度较大的射流，利用射流的卷吸效应使流体混合，通常适用于容器或管道内的情况。在浮选工艺过程中，调浆单元进行浮选药剂和矿物颗粒的混合方式通常是机械形式的搅拌。两方面的因素会影响矿物颗粒的扩散效果，分别是其自身特性以及外力的作用。矿物自身特性对于某型矿石来说无法改变，比如零电点、化学组成、溶解性、类质同相取代及表面性质。但是，外力的作用因素可以人为地加以改变，通过控制搅拌条件，可以促进矿物颗粒的扩散以及与浮选药剂的作用完全[7]。
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第 2 章 基础理论与研究方法
2.1 流体问题研究的发展概况
流体的流动以三大守恒定律作为支撑，这三大定律是质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。这些定律通过数学方程组来描述，但由于这些方程组都是非线性的，对于一些复杂问题，传统的求解方法很难得到分析解。另一方面，计算机技术不断在发展和进步，计算流体动力学（CFD）已经逐渐成为研究流体力学的重要方法。通过对计算域的离散，通过计算机进行数值计算，逐步去逼近真实解，从而达到研究物理问题的目的。计算机通过图像处理，将数值结果显示出来。CFD 既有流体力学的理论性，又面向具体的实际应用，成为继理论流体力学和实验流体力学之后又一种重要理论和研究方法。
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2.2 计算流体力学
在近代流体力学基础上，结合了数值数学以及现代计算机技术，发展出了具有强大生命力的计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）这一边缘学科。它以根本的物理自然规律为基础，理论推导作支撑，用计算机数值计算求得数值解。由于全部过程都在计算机上进行，避免了由于实验设计不合理而带来的巨大经济损失，可以对实际的研究设计工作提供指导，同时也大大缩短了研发周期。在 CFD 的计算过程中，许多离散的思想得到应用，算法的好坏对数值结果具有较大的影响。比如，通过数值方法，求解各个非线性联立的质量、能量、组分、动量以及自定义标量的微分方程组，可以求解原理相似的传热学和燃烧学问题，可以预测分析流动、传热、传质、燃烧等过程，同时还可对真实情况进行对比验证。目前从总体上来说，研究流体力学的主要方法有三种，理论分析、实验模拟以及数值模拟。从理论上研究流体力学的一般过程是[27]：建立力学模型，用物理学基本定律推导流体力学数学方程，用数学方法求解方程，然后检验和解释求解结果。理论分析结果能揭示流动的内在规律，物理概念清晰，物理规律能公式化，具有普遍适用性，但分析范围有限，只能分析简单的流动。而且，线性问题能得到结果，非线性问题分析非常困难。实验研究的一般过程是：通过类比不同的实验条件，建立模拟实验系统，对各个流动参数进行观测，对实验数据进行处理，得出实验结论。实验结果能反映工程中的实际流动规律，发现新现象，检验理论结果等，现象直观，测试结果可靠。由于流体流动的不确定性和复杂性，为了得出较为准确的实验数据需要性能较好的测量设备，而且这些设备具有很长的调试周期，调试比较复杂。实验研究的方法只能得到有限的实验数据，真实模拟物理问题比较困难。数值研究的一般过程是：对流体力学数学方程进行简化和数值离散化，编制程序进行数值计算，将计算结果与实验结果比较。数值模拟方法的优点是能计算理论分析方法无法求解的数学方程，能处理各种复杂流动问题，比实验方法省时经济，可以弥补理论分析和实验研究的不足[28]。与此同时，由于数值模拟在计算机上进行，不受各种实验条件的限制，省去了大量实验设备和条件的投资，还可以避免实验过程中由于人工操作而带来的偶然因素的影响。在计算机中对参数的设定相当于给定实验条件，每进行一次数值计算相当于进行一次数值实验。此外数值模拟还可以预测新的实验现象和结论，之后通过实际实验进行验证，这在历史上得到过证实。
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第 3 章 搅拌槽宏观流场的数值模拟...........23
3.1 搅拌槽几何模型........23
3.1.1 搅拌槽几何模型的建立...........23
3.1.2 搅拌槽几何模型的简化...........23
3.2 网格划分....24
3.3 计算模型的处理........26
3.4 宏观流场....29
3.4.1 速度场的分布...........29
3.4.2 叶轮表面压力的分布.......31
3.4.3 挡板表面压力分布...........32
3.5 本章小结....33
第 4 章 搅拌转速对矿浆浓度分布的影响...........35
4.1 不同转速下的浓度分布....35
4.2 湍流动能分布....39
4.3 湍流动能耗散率........40
4.4 本章小结....41
第 5 章 叶轮高度对矿浆浓度分布的影响...........43
5.1 不同叶轮高度下的浓度分布....43
5.2 确定最佳叶轮高度....45
5.3 最佳高度的验证........47
5.4 本章小结....49
第 5 章 叶轮高度对矿浆浓度分布的影响
叶轮需要安装在搅拌槽的中下部。安装高度过低，虽然槽底搅拌效果得到加强，但中上部的矿浆浓度较低；安装高度过高，则搅拌槽中下部的矿浆搅拌效果较差，得到沉积和死区。
5.1 不同叶轮高度下的浓度分布
考虑到在叶轮作用下会产生斜向上的射流，故在搅拌槽的中下部选取 4 个高度进行数值模拟，给出叶轮高度较为合理的选择范围。4 个高度分别为 3.08m，4.08m，5.08m，6.08m，其中 4.08m 为当前工况下的叶轮高度。在这 4 种情况下，浓度的分布范围是42%~72%，图 5.1 给出了在同一范围尺度下各个叶轮高度下浓度的分布对比。取距离槽底 1m、4m、8m、12m、15m 处的 5 个水平截面，通过这 5 个截面的浓度值对搅拌槽整体的矿浆浓度分布情况进行说明。从整体来看，叶轮直接作用的中部区域浓度较为均匀，由于重力沉降作用，随着竖直高度增加，矿浆浓度逐渐减小。随着径向距离增加，各垂直高度处的浓度趋于相等，这与叶轮产生的两个竖直方向的大循环有关。搅拌轴中心附近各高度浓度差别较大，因为此区域流体循环较差。从图 5.2 可以看出，叶轮高度 H=3.08m 时搅拌槽内各垂直位置的浓度还不是很均匀，现有安装高度 4.08m 在轴心附近槽底和近液面处的浓度差约为 4.5%，在 5.08m 的安装高度下槽底和近液面处浓度差缩小至约 3%，径向距离大于 3.5m 的区域各垂直高度浓度基本相等，均匀范围比 4.08m 的情况有了一定扩大。在 6.08m 的安装高度下，由于叶轮产生斜向上的射流作用距离减少，导致近液面处的循环效果不理想，中上部的浓度分布差异较大，搅拌效果不是很好。
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结论
矿浆搅拌是选矿生产过程中的重要工艺环节，国内在搅拌效率、矿浆搅拌装置关键部件的使用寿命等方面与国际先进水平有很大的差距。在矿浆搅拌过程中，搅拌槽内的流场形态是决定搅拌效率的重要因素，论文以此为背景，结合生产实际需求，采用数值仿真手段开展相关研究工作，对影响流场形态的诸因素及其影响行为进行了深入细致的分析，所取得的主要研究成果如下：
（1）简化实际矿浆搅拌槽的结构，并建立几何模型，同时设置好相关尺寸间的参数化关联关系，通过控制单一变量，分析计算其中某一个参数的改变对模型的影响。
（2）借助于 CFD 软件，对大型矿浆搅拌槽的流场进行数值模拟，得出了流场分布的宏观特性。数值模拟结果表明，流体流速最大的区域出现在叶轮端部附近，在这个区域，搅拌作用最为强烈，固液悬浮效果也最好。桨叶区以外，矿浆流速迅速减小。带有攻角的叶片，使矿浆产生垂直叶片表面的高速射流，遇到挡板后分别沿挡板向上、向下流动，形成搅拌槽内大范围的垂直循环。不同高度的水平截面产生相应的周向循环。在叶轮所在高度，水平射流形成绕轴心逆时针方向的环向流。在搅拌槽中部，由于高速射流与挡板的撞击，在挡板附近形成一定水平方向的涡旋。在搅拌槽上部，流速相对较小，周向环流不是很明显。
（3）在搅拌槽的纵截面上选取若干观测点，观测其在不同搅拌条件下的矿浆浓度，分析对比各观测点的浓度值，给出在不同搅拌条件下矿浆浓度沿径向和轴向的分布，统计各观测点浓度的方差并求和，确定最佳搅拌条件。
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参考文献(略)