CFD在采矿及矿物加工工程中的应用

程瑜 辛东帅 郑彦增

（江苏省有色金属华东地质勘查局地球化学勘查与海洋地质调查研究院，江苏南京 210007）

0.引言

计算流体力学（CFD）是由数学理论、流体力学、数值计算分析、计算几何及计算机科学等交叉产生的一门应用基础学科，主要用于流动、传导等相关物理现象的数值模拟。随着人们的深入研究，计算流体力学在各种流动现象和工业、工程应用方面都具有强大的生命力，并广泛应用于航空航天、水利工程、矿业工程、环境工程等各领域。采矿和矿物加工过程中有很多的流动现象，本文主要在查阅有限文献的基础上，对CFD在采矿及矿物加工工程中的应用进行简单的综述。

1. CFD在采矿方面的应用

采矿过程中矿区的通风、粉尘等有害气体排出、充填料浆输送等问题严重影响着矿山的安全生产，基于上述问题，学者们结合现场情况，利用计算流体力学（CFD）技术进行了气体及料浆的分布和流动等研究工作，为采矿的安全与防治提供理论指导。

为研究采矿工作面合理通风方式、防治自然发火以及瓦斯治理技术，胡千庭等[1]应用CFD数值模拟技术对煤矿采空区中瓦斯的流动及分布规律进行了较为详细的研究。通过引用采空区的空间形状、塌落度情况以及配合采空区中瓦斯流量等参数，构建地下空间等长壁工作面的三维模型，并自定义了瓦斯的流动形态模型及边界条件，从而建立采空区的基本形态模型，随后利用采空区现场检测得出的瓦斯浓度和抽放等数据对建立的基本形态模型进行校验。通过CFD模型模拟最终发现，采空区中回风巷中最高瓦斯浓度可以达到80%。同时由资料了解，目前利用CFD对瓦斯在采空区内流动的规律进行模拟是当下的热点，也是当下研究瓦斯流动最有效的方法之一。

在充填料浆浓管道输送的研究中，吴迪等[2]为解决某铁矿充填料浆的管道自流输送问题，采用固-液两相流理论和CFD方法，构建在管道中充填料浆自流输送的两相流控制方程，利用Gambit构造实际管道三维模型，在Fluent的3D解算器中进行数值模拟。根据问题的需要，模拟采用Realizable k-ε湍流模型。通过数值模拟、室内试验和工业试验，获得输送料浆最佳的浓度和流量。通过料浆坍落度试验、自然沉降试验以及现场管道输送试验验证了数值模拟结果可靠性高。研究结果为该矿即将投入使用的永久充填系统运行参数的选取提供了重要的依据，但充填体强度有待进一步研究。

应用数值模拟技术对射流泵的结构参数和工作参数进行优化，提高射流泵性能。董延军[3]等依据煤矿射流泵的结构尺寸和运行时的工作参数，运用ANSYSCFX流体分析软件建立排水排渣射流泵三维实体模型，进行了数值模拟分析，优化射流泵的参数，结果表明，改善射流器结构参数可使射流泵的性能得到提高。

掘进产生的粉尘量大，严重影响矿山安全生产与工人的健康，但目前对掘进面粉尘运动规律的认识不够深入，为了得出掘进面处风流与粉尘耦合的运动规律与粉尘浓度分布，胡方坤[4]等采用Gambit软件，根据CFD离散相解算的模拟分析技术，依照掘进面处的真实尺寸，建立了全尺寸巷道模型。通过模型对比研究了在压入式通风条件下，割上部与下部煤（岩）是产生的粉尘在掘进巷道的不同运移规律。掘进头处的粉尘模拟结果显示了掘进机附近风流场中存在两处涡流区域。另外，研究了掘进机处通风量对粉尘聚集区域的影响及能有效减小粉尘聚集区域浓度的作用。

依据气-粒两相流离散相模型的模拟仿真理论，赵雷雨[5]等采用FLUENT软件对不同风速下巷道内煤尘的运移情况进行模拟，并根据数值模拟出巷道内粉尘浓度以及粉尘颗粒的粒径的分布：巷道中煤尘的运动主要发生在煤层壁的附近，随着煤尘浓度的升高，粒径较大的粉尘沉降明显。由于风流的移动，粒径小的粉尘加速向工作面外扩散，离工作面越远煤尘浓度越低。利用数值模拟软件分析和预判煤尘的运动规律从而选择合适的方式方法提高降尘除尘效率有着重要的现实意义。

综上可见，根据数学模型并结合计算流体力学（CFD）技术可以对实际采矿过程产生的有害气体运动规律、料浆流动过程进行模拟，实现对动力学参数的优化，为有害气体防治、料浆充填、优化设备结构提供理论指导。但采矿中有害气体流动受多种复杂因素影响，数值模拟得到的优化参数需要通过大量的现场数据来验证。

2. CFD在矿物加工方面的应用

矿物加工流程中包含多种流动过程，为了更好的解释矿物加工中物料的运动过程，越来越多的学者利用CDF技术从理论方面分析矿粒及矿浆的流动规律，主要涉及的方面有旋流器、浮选机、磨矿及脱水、分选、搅拌槽、浸出等。

2.1 在旋流器方面的应用

在选矿过程中，水力旋流器广泛用于分级、分选、浓缩、脱泥等作业[6]。水力旋流器虽结构简单，但内部的多相流运动十分复杂。通过利用CDF对旋流器的结构和流场进行模拟，能够得到旋流器内部的流场特性和分离效率等，还可进一步优化旋流器结构参数，提高设备性能。

闫小康[7]利用CFD模拟技术对旋流器进行数值模拟，讨论了用于旋流器模拟的紊流模型、多相流模型的选取方式和旋流器内部空气流动的计算方法。水力旋流器内的液-固旋流场选用了FOUENT软件中的k-ε模型，在计算旋流器流场时，选择了欧拉多相流模型，对锥形旋流器的内部矿浆流场规律进行数值计算，试验表明，根据流场规律能够优化旋流器的设计以及预测旋流器的分离性能。钱爱军[8]等应用CFD的模拟结合激光多普勒测速仪LDV测试技术，获得了重介质旋流器中速度场、压强和密度的分布，为进行优化旋流器、提高分选效率性能以及节能等方面的研究提供了便捷。黄波[9]等应用FLUENT软件对旋流器悬浮液的密度分布进行了探索，研究结果表明，悬浮液密度在旋流器内呈现由上而下、由内向外的增加，同时利用CFD-EDEM单向场耦合技术研究了煤颗粒在旋流器中的运动规律：煤通常在与自身密度接近的层位进行分选作业；同一密度条件下，粒度较大的煤颗粒在轴向速度较大的情况下，易出现矸中带煤现象；粒度较小的煤颗粒受流体曳力变化影响较大，随机性随之增加。蒋基安[10]等针对泥浆中固体颗粒粒度小，粒级分布范围宽的特点，研发了新型的多锥段旋流器，采用Fluent软件和雷诺应力（RSM）湍流模型对旋流器内部进行了三维数值模拟，获得了压力场和速度场的分布规律。CFD的数值模拟为多锥段旋流器进行进一步的优化设计提供了理论依据。许芳芳[11]等为研究分级机内气-液-固多相流场变化情况，采用了FLUENT软件对其进行模拟，应用k-ε模型模拟分级机内水的流场变化情况，并预测了流场内部颗粒的分级情况，同时计算了水流量和分级机的外形尺寸对颗粒分级的影响。研究表明，对固定参数的分级机，随水流量的增大，分级机的综合效率呈现出先增大而后减小的趋势；在分级机尺寸一定的情况下，随着分级机直筒高度的增加分级效率也呈现出先增大后减小的趋势。Raj K. Rajamani等[12]应用CFD模拟了重介质旋流器的分级情况，共对5种流体的多相混合情况进行模拟。研究结果表明，不同粒径颗粒的密度变化和颗粒分布情况与实际的结果基本一致。利用涡流和五相模拟的方法，相比仅用三相模拟，除改善相应性质外，更是解决了涡流所带来的问题。

综上可知，利用CFD模拟的关键是选择合理的湍流模型或多相流模型。通过模拟能够直观的显示旋流器的内部流场，不受实验设备尺寸和测量精度的限制，可得出不同结构参数和工艺参数对颗粒的分级情况的影响并指导生产，还为旋流器的结构优化提供理论支撑。但在工程中使用时一些模型还存在计算量大、精度低等问题，因此还需不断完善改进模型。

2.2 在浮选机方面的应用

浮选机内部的流动状态也是影响浮选效率的关键参数，但研究浮选机内部流动机理试验难度大，工序复杂。利用计算机流体力学（CDF）数值计算能够直观展示浮选机内部流动，分析浮选过程中各个因素对浮选机内部流场的影响，提高浮选的分选效果。

徐振法等[13-14]通过CFD分析机械搅拌浮选机内的固液两相流场，继而得到浮选槽内矿浆循环结构、矿粒浓度分布、湍流强度分布等信息，进而上述规律对浮选效率的影响。依据流动规律，并结合工业试验的结果对浮选机各种参数进行优化，从而降低工业应用的成本和设备的设计周期。另外，CFD在浮选机内流机理研究应用中还存在气泡形成和生长规律等机理研究不成系统等问题。 沈政昌等[15]模拟了不同湍流控制方程、不同曳力模型以及提升力系数条件下浮选机气液两相流场的变化情况，研究结果表明：标准k-ε方程下，气、液相矢量流场图上下循环明显，最大值出现在叶轮附近，不同的流场参数在常规的速度场中的影响和区别性都较小，同时不同的表面张力系数对流场影响很小；RNG k-ε方程条件下，流场中气相对参数的变化极为敏感，而液相对参数的变化并不敏感。同时还对0.2m3浮选机的流场变化情况采用数值模拟的方法进行研究，对照计算流体力学模拟和实际测量结果显示，浮选机不同截面的上、下循环流场结构变化趋势和数值大小基本一致。应用CFD计算预测的功率消耗情况和实际测量值数据能够较好地吻合，说明CFD模拟技术能较真实地反映浮选机内部矿浆的的运动情况。

CFD可以模拟浮选机内部流场，能够得出机械式搅拌浮选机设备结构与工作参数、矿浆流场状态、气-液两相流的流体特征的关系，并且试验结果能够与实测值吻合，为优化分选效率和浮选设备性能提供了理论依据。由于浮选机内部流场复杂，还需要深入研究适合计算浮选机内部流体的精准模型，以及浮选过程中气泡的形成及生长机理研究。

2.3 在磨矿及脱水方面的应用

CFD模拟技术可以模拟磨机内部物料运动和压滤脱水过程。宁晓斌等[16]通过建立立式螺旋搅拌磨的离散元和有限元模型评价了该设备的结构强度和动力学性能，同时分析了搅拌磨启动速度和内部所填钢球尺寸对搅拌磨阻力矩的影响，为搅拌磨动力匹配设计提供技术依据，同时对比现场测试结果和数值模拟情况，发现结果较为一致。邱勤木[17]通过对压滤机的脱水过程进行模拟，建立了压滤过程的CFD模型，并通过工业试验数据对所建模仿真研究的结果进行验证，并最终提出多种可用于优化工业应用的方案。对优化压滤机的设计及提高脱水效能的具有较大的促进作用。

2.4 在其它分选方面的应用

矿物分选在分选空间中是矿物颗粒与多相流体依据颗粒间的物理化学性质差异和空间内流体特征及外力加场的作用，通过运动实现颗粒的分离。在分选过程中，使用计算流体力学（CFD）可对包括螺旋溜槽、干扰床分选机、离心分选机、气液两相引射器、液固分选流化床等矿物分选流场进行数值模拟。

李华梁[18]创新使用CFD建模方法来优化螺旋溜槽的结构，并得出可用于实际生产的分选效果评价机制，同时应用大量实验室试验数据对方法和结果进行验证和修订，从而为螺旋溜槽的优化设计提供了新方法，对于提高实际生产中的分选效果具有重要作用。陈友良等[19]通过CFD技术模拟干扰床分选机内部4个区域的流场变化特点，研究表明，床层区的水流速度变化剧烈且存在拐点，分选区的速度剖面形态较好呈抛物线，入料区的流体分布混乱没有规律，溢流区的水流呈现稳定形态，从而根据以上模拟分析结果改进了分布器及入料井的结构来对优化分选机分选煤泥的效果。孙启潇等[20]通过将高速动态测试平台与离心分选机模型进行有机结合，利用最先进的高速动态测试技术对离心机流场变化情况进行检测，从而获得流场流态以及流速等关键信息，得出分区层流膜分布与数值计算分析的结果相吻合，采用模型模拟离心分选机流场流速与实际检测结果偏差较小，该模型具有一定的适用性。高淑玲等[21]应用多相流模型和离散相耦合等CFD模拟的研究方法，进行了螺旋溜槽进行流场和颗粒运动行为的数值模拟研究，并且讨论了螺距和给矿流量对流场的影响程度。乔时和等[22]采用FLUENT软件对两相引射器的最优化尺寸等数据进行数值模拟研究，同时分析了压力和出口处背压对设备性能的影响程度，并最终确定了喷嘴直径的控制在16mm～20mm。韦鲁滨等[23]采用RNGk-ε湍流模型等多种模型模拟了流化床内外流场的变化情况，在两相流场相对稳定情况下，利用模型对内部的分选情况进行模拟，等出模拟结果与实验所测结果数据相近，可作为参考。曹晓畅等[24]应用CFD数值模拟技术对高梯度磁选机内部的流场变化情况进行研究，通过观察料浆在不同流场中的变化情况来对尾料箱和精料管等设备的结构进行改进，研究结果表明，CFD技术的应用可用于磁选机的开发设计，且可以得到较为满意的结果。

综上所述，CFD可以对分选过程所涉及的流场和磁场中颗粒运动行为进行数值模拟，模拟得到的结果与实验结果吻合，提高了分离效率，同时也为优化分选设备提供了依据。

2.5 在搅拌罐、浸出等方面的应用

CFD可用于模拟搅拌反应器内的流场、搅拌工艺及含气量，蔡子金等[25]总结了CFD模拟分析技术在搅拌罐流场特性、搅拌功率、气液分散性能、耦合溶氧传质过程中的最新研究进展，对比了多种气液传质过程模型，并得出了CFD模拟技术应用于生物发酵过程放大具有很好的应用前景。

利用CFD数值模拟技术能够研究搅拌浸出槽内液体积颗粒固体的流动过程，余良英等[26]对搅拌浸出槽中流体流场的运行情况进行模拟分析，通过模型的建立和非结构网格的划分，同时应用多种方程进行内部流场的模拟，最终结果表明，数值模拟技术能够较为准确地模拟内部流场的变化情况，对搅拌浸出槽性能改机和设计意义重大。吴宗武等[27]在石煤提钒搅拌浸出槽的研究中运用数值模拟对搅拌浸出槽的流场进行仿真模拟，同时对浸出槽中固液悬浮的特性以及各类型混合浸出效果进行探索研究，通过流场模型探讨了两种不同搅拌方式―同向和异向旋转下的搅拌效果，结果表明条件相同时，异向旋转时湍动能的分布更合理，同时还能够缓解槽底矿物沉积的问题。马庆勇等[28]使用FLUENT对搅拌槽内中矿浆的混合过程进行模拟，通过对搅拌流场、液固比以及功率因数等参数的变化情况来确定最合适的搅拌桨。闫立林等[29]在不同桨叶半径和不同转速下利用CFD软件选用多重参考系法对搅拌罐内的流动特性进行了数值研究，分析了桨叶半径和转速对搅拌罐内流动特性的影响。结果表明，通过模拟结果的比较得出选取合适的桨叶半径和转速才能达到最佳的搅拌效果。王兵[30]使用FLUENT软件研究了钨矿活化浸出设备-搅拌釜并分析了釜内流场特性等参数，总结了搅拌桨的安装方式、离底高度、桨径比以及搅拌桨之间转速比对矿浆流场的影响变化规律，同时结合钨矿回收工艺过程实际的控制要求，选择PLC系统为该设备的控制系统，并对其硬件进行选型。

随着科技的不断进步以及工业发展对原料、能源需求量的不断增加，采矿和选矿学科的技术能力将不断提升，应用的范围将越来越广，为数值模拟技术的应用和发展提供了机遇，同时也提出了更高的要求。