螺旋溜槽流场演变及不同粒度赤铁矿与石英分离指标预测

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20240128

摘要/Abstract

摘要：

流体力学特性是决定重选分离效果的关键因素.采用数值模拟方法研究了 $ϕ$ 400 mm螺旋溜槽内流体动力学参数沿纵向行程的演变特性.针对90 μm赤铁矿与38 μm石英和59 μm赤铁矿与38 μm石英两种给矿体系，分析了颗粒分布、迁移行为与分离效率的变化规律.结果表明：流膜形态、速度分布及二次环流强度在首圈行程变化显著，需2~3圈方能稳定，趋稳行程与径向位置呈正相关.赤铁矿和石英形成选择性分布，最大分离效率沿行程总体提升；90 μm赤铁矿分布靠内，第2.0圈基本达到迁移平衡，最大分离效率达82.16%；59 μm赤铁矿分布偏外且在第3.0圈仍未达迁移平衡，其第2.0，3.0圈最大分离效率较90 μm赤铁矿体系低约6%.粗粒赤铁矿运动行为与流膜及速度演变显著相关，而细粒赤铁矿运动具有随机性，需延长行程或调整结构参数以优化技术指标.

关键词: 螺旋溜槽, 流体动力学参数, 趋稳行程, 颗粒迁移, 最大分离效率

Abstract:

The hydrodynamic characteristics serve as fundamental factors in determining the gravity separation effect. Numerical simulations were used to systematically investigate the evolution of fluid dynamics parameters along the longitudinal travel in a $ϕ$ 400 mm spiral concentrator. For the two feeding systems comprising 90 μm hematite with 38 μm quartz and 59 μm hematite with 38 μm quartz，the variations in particle distribution， migration behavior， and separation efficiency were analyzed. The results indicate that the morphology of the flow film， the velocity distribution， and the intensity of the secondary circulation change significantly within the travel of the first turn， and it takes longitudinal travel of 2~3 turns to stabilize； the stabilization travel is positively correlated with the radial position. Hematite and quartz gradually develop a selective distribution， and the maximum separation efficiency improves overall with the travel. The distribution region of 90 μm hematite is more toward the inner edge， and its migration amount reaches the equilibrium in the 2nd turn； the maximum separation efficiency obtained is 82.16%. The distribution region of 59 μm hematite is more outward， and the migration equilibrium is not reached until the 3rd turn. The maximum separation efficiency obtained in the 2nd and 3rd turns is about 6% lower than that of the 90 μm hematite system. The motion behavior of coarse-grained hematite has an obvious correlation with the evolution of the flow film and velocity distribution. However， the motion of fine-grained hematite exhibits a certain degree of randomness. Consequently， it is necessary to extend the travel or adjust related structural parameters to acquire a satisfactory technical index.

Key words: spiral concentrator, fluid dynamics parameter, stabilization travel, migration of particle, maximum separation efficiency

中图分类号:

TD 45

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图/表 17

图1 螺旋溜槽断面形状示意图

Fig.1 Schematic diagram of cross-sectional shape of spiral concentrator

表 1 螺旋溜槽结构参数

Table 1 Structural parameters of spiral concentrator

直径 $ϕ$ /mm	外半径R/mm	内半径r₀/mm	下斜角γ/(°)	螺距P/mm	圈数N
400	200	35	12	240	3.25

表 1 螺旋溜槽结构参数

Table 1 Structural parameters of spiral concentrator

直径 $ϕ$ /mm	外半径R/mm	内半径r₀/mm	下斜角γ/(°)	螺距P/mm	圈数N
400	200	35	12	240	3.25

图2 螺旋溜槽单圈流体域网格划分

Fig.2 Fluid domain meshing of single-turn spiral concentrator

图3 螺旋溜槽网格无关联性验证（a）—流膜厚度对比；（b）—表面切向速度对比.

Fig.3 Mesh independence verification on spiral concentrator

表2 不同求解模型的空间离散格式

Table 2 Spatial discretization patterns for different solving models

项目	气-液两相流	气-液-固多相流
梯度	Least Squares Cell Based	Least Squares Cell Based
压力	PRESTO	—
动量	Second Order Upwind	QUICK
体积分数	Compressive	Compressive
湍流动能	Second Order Upwind	QUICK
湍流耗散率	Second Order Upwind	QUICK

图4 不同过流圈数槽面中流膜厚度的径向分布

Fig.4 Radial distribution of flow film thickness across different turns in the trough

图5 最大切向速度沿纵向行程演变曲线

Fig.5 Evolution of maximum tangential velocity

图6 不同过流圈数槽面中的径向速度分布云图

Fig.6 Contour of radial velocity distribution across different turns in the trough

图7 最大向内速度随纵向行程的演变

Fig.7 Evolution of maximum inward velocity along

图8 最大向外速度随纵向行程的演变

Fig.8 Evolution of maximum outward velocity along

图9 不同过流圈数槽面中赤铁矿在各径向微区的产率

Fig.9 Yield of hematite in various radial regions

图10 不同过流圈数槽面中石英在各径向微区的产率

Fig.10 Yield of quartz in various radial regions

表3 不同径向微区中90 μm赤铁矿颗粒的产率变化值

Table 3 Yield variation of 90 μm hematite particles in different radial regions

纵向行程/圈	内半槽产率变化/%				外半槽产率变化/%
纵向行程/圈	r₁	r₂	r₃	总和	r₄	r₅	r₆	总和
0.25→0.50	-1.14	9.66	15.57	24.09	-2.21	-14.98	-6.90	-24.09
0.5→0.75	1.65	23.89	-7.12	18.42	-15.08	-3.34	0.00	-18.42
0.75→1.0	3.29	5.32	0.57	9.17	-7.48	-1.70	0.00	-9.17
1.0→2.0	13.86	14.34	-20.27	7.92	-7.74	-0.18	0.00	-7.92
2.0→3.0	4.96	-11.99	7.41	0.37	-0.38	0.00	0.00	-0.37

表4 不同径向微区中59 μm赤铁矿颗粒的产率变化值

Table 4 Yield variation of 59 μm hematite particles in different radial regions

纵向行程/圈	内半槽产率变化/%				外半槽产率变化/%
纵向行程/圈	r₁	r₂	r₃	总和	r₄	r₅	r₆	总和
0.25→0.50	-0.60	-2.80	-3.26	-6.67	3.49	32.49	-29.31	6.67
0.5→0.75	0.15	36.37	33.60	70.12	-12.02	-51.99	-6.11	-70.12
0.75→1.0	0.35	-30.84	24.35	-6.14	10.79	-4.57	-0.08	6.14
1.0→2.0	1.83	33.27	-27.81	7.29	1.72	-8.82	-0.19	-7.29
2.0→3.0	0.84	-14.40	24.01	10.46	-10.03	-0.32	-0.11	-10.46

表5 不同径向微区中石英颗粒的产率变化值（90 μm赤铁矿与38 μm石英给料体系） (feeding system))

Table 5 Yield variation of quartz particles in different radial regions (90 μm hematite and 38 μm quartz

纵向行程/圈	内半槽产率变化/%				外半槽产率变化/%
纵向行程/圈	r₁	r₂	r₃	总和	r₄	r₅	r₆	总和
0.25→0.50	-0.97	-0.14	-2.57	-3.67	-3.39	2.54	4.53	3.67
0.5→0.75	0.38	0.65	0.82	1.85	-4.12	-13.97	16.24	-1.85
0.75→1.0	0.15	-1.05	1.98	1.09	-0.53	-3.57	3.02	-1.09
1.0→2.0	-0.04	1.35	-0.65	0.66	1.49	-4.61	2.46	-0.66
2.0→3.0	-0.44	4.99	3.39	7.93	-1.69	-5.70	-0.54	-7.93

表6 不同径向微区中石英颗粒的产率变化值（59 μm赤铁矿与38 μm石英给料体系） (feeding system))

Table 6 Yield variation of quartz particles in different radial regions (59 μm hematite and 38 μm quartz

纵向行程/圈	内半槽产率变化/%				外半槽产率变化/%
纵向行程/圈	r₁	r₂	r₃	总和	r₄	r₅	r₆	总和
0.25→0.50	-0.84	-2.97	-4.84	-8.66	-4.93	-0.24	13.82	8.66
0.5→0.75	-0.02	13.53	9.42	22.93	-3.94	-1.97	-17.02	-22.93
0.75→1.0	0.07	-12.38	7.15	-5.16	9.91	-6.70	1.95	5.16
1.0→2.0	0.13	3.17	-7.26	-3.96	-10.30	-7.57	21.83	3.96
2.0→3.0	0.13	-2.81	4.64	1.96	3.27	-0.42	-4.81	-1.96

图11 不同圈数槽面中截矿位置对颗粒分离效率的影响（a）—90 μm赤铁矿与38 μm石英给料体系；（b）—59 μm赤铁矿与38 μm石英给料体系.

Fig.11 Influence of splitter position on particle separation efficiency across different turns in the trough

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