1 cfd技术在重介质旋流器中的应用
cfd（computational fluid dynamics）即计算流体力学，是目前国际上一个重要的研究领域，是进行传热、组分输送、动量传递、燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水力、环境化工等诸多领域，流体机械中的重介质旋流器是重要领域之一。
在传统的旋流器设计及产品开发工作中，旋流器的结构参数和工艺参数的确定还主要依赖经验和实验，设计可行与否往往取决于大量的实验，产品开发周期长，费用高，设计人员的经验起着举足轻重的作用。cfd的应用则改变了传统的设计过程，由于cfd软件可以相对准确的给出流体流动的细节，如速度场、压力场、密度分布的时节特性，因而不仅可以准确预测流体机械的整体性能，而且很容易从流场的分析中发现产品或工程设计中的问题，据此提出的改进方案只需重新设计计算一次就可以判断、评估改进是否有效，并更容易得到某些规律性的知识。这样旋流器设计与优化对试验和经验的依赖性大为减少，能够显著缩短设计周期、降低研发成本[3]。
n·lourens和j·bosman利用计算流体力学技术对重介质旋流器的局部流场进行了数值模拟,通过模拟结果提出了对旋流器结构改进的建议[4, 5]。 m·s·breanan对350 mm重介质旋流器流场进行了模拟,但仅研究了旋流器的局部和密度分布[6]。刘峰等利用fluent软件,对目前常用的重介质旋流器流场进行了数值模拟,并对重介质旋流器的结构和能耗进行了初步研究,但仅研究了气液两相流时的流场[7～9]。
应用计算流体力学技术对重介质旋流器流场进行多相流的计算机模拟,使研究结果可视化、直观化,将为重介质旋流器参数的优化提供坚实的技术基础。
2 高密度分选磷矿重介质旋流器模拟研究
2．1不同重介旋流器结构
根据实际的旋流器结构参数建立模型、选择合适的数学模型、设置边界条件、迭代计算收敛后，分析旋流器中存在的三维流动：切向速度、径向速度和轴向速度在旋流器内的分布情况以及在旋流器结构发生变化后对流场的影响。高密度分选磷矿旋流器将第一段圆筒形改为了锥形，图1为传统重介质旋流器，图2为高密度分选磷矿重介质旋流器。分别对传统旋流器和高密度分选磷矿分选旋流器进行数值模拟和分析。
图1 传统重介质旋流器 图2 高密度分选磷矿重介质旋流器
2.2 数值模型的建立
根据重介质旋流器的实体结构参数在gambit中建立三维旋流器模型后（见图3、图4），运用有限体积的方法对三维模型进行网格划分[10]。
高密度分选磷矿分选旋流器和传统分选旋流器在二段（dsm）结构参数上基本没有变化，主要变化在一段（dwp）的结构参数上，为了合理有效利用现有计算机的资源、缩短模拟研究的时间，着重对结构参数变化较大的dwp型旋流器进行模拟研究和结果分析。
图3传统重介质旋流器建模图 图4高密度分选磷矿重介质旋流器建模图
2.3 模拟结果对比分析
在fluent模式下进行具体数据的设定、计算模型选择、运算和结果等一系列的数据分析。在其他参数不变的情况下对两个不同旋流器（见图3，图4）分别进行数值模拟[11]。对重介旋流器进行数值模拟主要是为了研究旋流器内的速度场、压力场的分布状况，从旋流器的速度剖面图（图5和图6），可以看到旋流器内的速度剖面分布全貌。
2.3.1 速度剖面
图5 传统重介质旋流器的速度截面 图6 高密度分选磷矿重介质旋流器的速度截面
悬浮液经入料管进入圆筒形旋流器后形成两个螺旋流，即外螺旋流和内螺旋流。外螺旋流沿器壁向入矿口端降落，有一部分流体以一定的余压经过连接管进入二段圆筒圆锥形旋流器（dsm）做进一步的分选；另一部分旋流液不等到达锥顶（入矿口附近）已转向朝中心轴流动，并在旋流器中央部分形成反向移动的内螺旋流，经溢流管排出。在旋流器的中心轴周围，沿其全长形成一个中心空气柱，即在上升的内螺旋流中形成自由面。下降的外螺旋流区域位于旋流器内壁和轴向速度等于零的分界面之间。
旋流器中悬浮液螺旋旋流的速度通常以切向速度、径向速度和轴向速度这三个分速度来表示。悬浮液的切向速度和径向速度具有较大的实际意义。前者确定离心力的大小，后者确定悬浮液的径向移动动压力。两个力是决定物料按密度分层的主要力。悬浮液的轴向流速则决定着分选产品在外螺旋下降流和内螺旋上升流中的位移时间[12]。
2.3.2 切向速度
图7 500mm截面处切向速度分布比较图
切向速度被认为是旋流器内三维速度中最重要的一维，因为它是衡量旋流器内分离因数大小的指标，所以人们比较重视旋流器内流体切向速度的研究。切向速度从旋流器周边向中心不断增大，到空气柱边缘又重新降低，在回转半径约等于溢流管内径处，切向速度达到最大值[13]。
如图7可见，在同样入料速度下(悬浮液循环量相同)，高密度分选磷矿重介质旋流器内的切向速度普遍高于传统重介质旋流器内的切向速度，也就是说在其他条件不变时，高密度分选磷矿重介质旋流器达到传统重介质旋流器相同的切线速度所需的入料速度比切线入料的低。这就说明要达到相同分选效果时，高密度分选磷矿重介质旋流器可以比传统重介质旋流器能耗低，并降低旋流器的局部过磨损。在使用相同的入介速度入料时，高密度分选磷矿重介质旋流器因为切向速度大于传统重介质旋流器，就可以起到外螺旋流增加浓缩效果的作用。
2.3.3 径向速度
图8 径向速度分布比较图
旋流器内流体的径向速度，由径向位置从器壁趋向轴心，其绝对值逐渐增大，
在空气柱边缘附近有急剧降低；在筒体（或锥体）的断面上，径向速度方向始终是由器壁指向中心；内旋流区的流体径向速度变化幅度比外旋流区的变化幅度大[14]。
径向速度确定悬浮液的径向流体动压力，如图8可见，，高密度分选磷矿重介质旋流器与传统重介质旋流器在径向速度上相比，在旋流器空气柱范围内的径向速度相差不多，只是在远离空气柱分选面向旋流器壁面的范围内，高密度分选磷矿重介质旋流器比传统重介质旋流器的径向速度要低。颗粒进入旋流器后，在径向上分层，而这段分层的时间要比颗粒在旋流器中停留的全部时间短很多，在切向速度和轴向速度一定的条件下，径向速度减小可以使颗粒物料的分层时间增加，使相近物料误入相对产品的机会减少，可以提高分选精度。
2.3.4 轴向速度
图9 轴向速度分布比较图
旋流器内悬浮液流体的轴向速度，从器壁到空气柱的外侧边缘越来越低；速度值在旋流器半径的中部过零点，由正变为负。通过流体轴向速度为零的各点，可以描绘出一个圆锥形表面，称为零速包络面（lzvv）。该面内部的流体向上流动，形成内旋流；而在其外部的流体向下往底流口方向流动，形成外旋流。就轴向速度绝对值而言，内旋流远大于外旋流。
悬浮液的轴向速度决定着分选产品在外螺旋下降流和内螺旋上升流中的移动时间。如图9可见，在内螺旋上升流区域内，特别是在空气柱范围内，高密度分选磷矿重介质旋流器内的轴向速度高于传统重介质分选旋流器内的轴向速度，这样可以加快空气柱内流体从溢流口排除速度，减少部分流体在旋流器内停留时间，可以相对起到增大处理量的作用[15-16]。
2.4 模拟研究结论
通过上述数值模拟研究数据分析比较可以得出高密度分选磷矿重介质旋流器的各项性能指标优于传统重介质旋流器的的各项性能指标。
3高密度分选磷矿重介质旋流器的应用
世界首台应用计算流体力学技术研究出的高密度分选磷矿重介质旋流器在湖北宜昌绿陵化工有限公司选矿厂得到成功应用，其实际分选指标可见表1。
表1 高密度分选磷矿重介质旋流器的分选情况
|
项目名称 |
分选产品 |
计算入料的可选性 |
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|
设备型号规格 |
pnwx1200/710 |
精矿理论产率% |
62.5 |
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入料磷矿种类 |
泥晶磷灰石 |
产率 (%) |
品位 （%） |
产率 （%） |
品位 （%） |
理论分选密度（g/cm3） |
2.82 |
|
入料粒度mm |
0.5～15 |
56.48 |
29.59 |
43.52 |
11.63 |
±0.1含量% |
34 |
|
入料品味% |
21.77 |
分选效果 |
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作业性质 |
主选 |
分选密度 （g/cm3） |
可能偏差ep （g/cm3） |
0.06 |
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处理能力（t/h） |
90～110 |
2.82 |
数量效率η（%） |
90.37 |
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|
试验历时时间（h） |
8 |
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4发展前景
高密度分选磷矿重介质旋流器的研发成功，是磷矿分选技术的创新，标志着我国的磷矿分选技术再上新高,我国中低品位磷矿资源较多，本项目的研发成功，对充分利用稀缺的磷矿资源开辟了又好又快的技术途径，推广应用前景广阔。
5结论
通过上述研究与应用可以得出一下结论：
（1）应用计算流体力学进行重介质旋流器研究方案的比较，选取最优方案进行现场应用为科研工作者提供了一条有效途径。
（2）高密度分选磷矿重介质旋流器的研发成功不仅可以应用在适合重选的磷矿高效分选上，还可推广到所有适合重选分选密度低于3.0kg/l的非磁性矿物的高效分选上。
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