[发明专利]固-固分离水力旋流器参数的数值模拟优化方法

摘要

本发明涉及水力旋流器的设计与制造技术领域，一种固‑固分离水力旋流器参数的数值模拟优化方法，主要包括以下操作步骤：确定水力旋流器的基本直径；确定水力旋流器其他结构参数；二次正交旋转组合试验方案设计；操作参数数值模拟与试验优化；正交试验方案设计；结构参数数值模拟与试验优化。本发明克服现有技术中的缺点与不足，提供一种以水力旋流器分离性能为目标，对固‑固分离水力旋流器的操作参数和结构参数进行多变量多目标参数优化的方法，从而简单、经济、高效的实现水力旋流器的参数优化，显著提高水力旋流器的分离性能，提高生产效率、降低生产成本、提高产品质量。

主权项

1.一种固‑固分离水力旋流器参数的数值模拟优化方法，其特征在于主要包括以下操作步骤：第一，确定水力旋流器的基本直径：根据矿石密度δ、单个水力旋流器生产能力范围、分级粒度d₉₅、矿浆质量浓度Cw、给矿压力ΔPm，按公式(1)、公式(2)，确定水力旋流器直径范围，并按中值选取水力旋流器基本直径D；公式(1)：D＝19.5qm0.5ρm0.25ΔPm‑0.25(mm)；其中ρm：矿浆密度，t/m3；qm：生产能力，m3/h；ΔPm：给矿压力，MPa；公式(2)：（t/m³）；其中：δ：矿石密度，t/m³；Cw：矿浆质量浓度，％；第二，确定水力旋流器其他结构参数：圆柱段长度H、入口直径di、入口长宽比L/B、溢流管插入深度h、溢流口直径do、底流口直径du、锥角θ，具体计算公式如下：公式(3):圆柱段长度：H＝1.15D；公式(4):入口直径：di＝0.2D；公式(5):入口长宽比：L/B＝0.44；公式(6):溢流管插入深度：h＝0.65D；公式(7):溢流口直径：do＝(0.20～0.30)D；根据矿石中精矿与杂质比例高低取值，比例较大时取值较大；公式(8):底流口直径：du＝(0.25～0.75)do；根据底流中杂质与溢流中精矿比例取值，比例较大时取值较大；公式(9):锥角：θ＝15°，d95≤45μm；θ＝20°，d95＞45μm；第三，二次正交旋转组合试验方案设计：应用试验设计软件，以入口速度vi、矿浆质量浓度Cw和颗粒粒度Pg为影响因素，以压力降ΔP、溢流浓度Cwo、溢流纯度Puo为响应指标，设计三因素五水平二次正交旋转组合试验方案；第四，操作参数数值模拟与试验优化：应用数值模拟软件，按照第三步确定的试验方案进行数值模拟，然后将数值模拟结果通过试验设计软件进行多变量多目标优化，得到入口速度vi、矿浆浓度Cw、颗粒粒度Pg的优化组合方案；第五，正交试验方案设计：应用试验设计软件，以水力旋流器溢流口直径do、底流口直径du、锥角θ、溢流管插入深度h为影响因素，以压力降ΔP、溢流浓度Cwo、溢流纯度Puo为响应指标，设计四因素三水平正交试验方案；第六，结构参数数值模拟与试验优化:应用数值模拟软件，按照第五步确定的试验方案进行数值模拟，数值模拟中的入口速度、矿浆浓度和颗粒粒度按照第四步中的优化结果取值，然后将数值模拟结果通过试验设计软件进行分析，确定水力旋流器溢流口直径do、底流口直径du、锥角θ、溢流管插入深度h的优化组合方案；第四步与第六步中所述的数值模拟，仿真参数设置方法为：压力耦合、隐式、非稳态算法、Reynolds Stress模型、Mixture多相流模型，多相流模型选取三相，分别为水相、精矿相、杂质相，精矿相与杂质相类型为流体，入口采用速度入口，溢流口与底流口采用压力出口，压力速度耦合采用SIMPLEC算法、离散格式中压力采用PRESTO！格式，其他采用二阶迎风格式，边界条件中湍流强度、体积分数、水力直径、粘度计算方法如以下公式：公式(10)：；公式(11)：；公式(12)：；公式(13)：;公式(14):公式(15):公式(1):其中：ω1、ω2分别为精矿与杂质在矿石中的质量百分含量；δ1，δ2分别为精矿与杂质的密度，单位为t/m3；、分别为精矿与杂质的体积分数；I:湍流强度，％；Re：雷诺数；Cv：矿浆体积浓度，％；dH：水力直径，mm；μm：矿浆粘度，kg/m·s；Cw：矿浆质量浓度，％；vi：入口速度，m/s。