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第一部分 微泡发生器流体动力学机理研究——以射流式微泡发生器为例3

第一章 绪论3

1.1 资源问题3

1.1.1 资源危机3

1.1.2 我国的资源消耗5

1.1.3 我国矿产资源的特点及面临的任务7

1.2 浮选概述8

1.2.1 浮选发展简况8

1.2.2 微泡浮选的发展应用简况9

1.3 微泡浮选关键技术分析12

1.3.1 微泡发生器12

1.3.2 微泡发生器研究近况13

1.4 选题及研究内容15

1.4.1 选题背景15

1.4.2 研究意义17

1.4.3 研究内容17

第二章 微泡生成机理及射流微泡发生器的研究19

2.1 射流式微泡发生器工作原理19

2.2 微泡生成力学机理研究21

2.2.1 气核作用21

2.2.2 机理分析22

2.2.2.1 微泡析出机理22

2.2.2.2 吸气生成微泡机理24

2.2.2.3 孔板及扩散管的作用28

2.3 微泡生成的尺寸与分散29

2.3.1 微泡的尺寸29

2.3.1.1 析出微泡的尺寸30

2.3.1.2 孔板对微泡尺寸的影响31

2.3.1.3 射流生成微泡的尺寸31

2.3.2 气泡的分散32

2.4 微泡生成过程及力学分析33

2.4.1 力学分析33

2.4.2 微泡生成过程分析38

2.4.2.1 气泡破碎机理分析38

2.4.2.2 气泡兼并作用分析44

2.4.2.3 气泡的结群45

2.4.2.4 气泡在矿浆中的运动46

2.4.3 矿粒对微泡生成的作用46

2.5 微泡发生器结构分析47

2.5.1 喷嘴48

2.5.2 吸气室及进气管49

2.5.3 混合室49

2.5.4 孔板50

2.5.5 喉管50

2.5.6 扩散管51

2.6 微泡发生器充气性能分析52

2.6.1 充气量52

2.6.1.1 射流速度对充气量的影响52

2.6.1.2 微泡发生器的结构对充气量的影响53

2.6.2 气泡分散度54

2.6.3 气泡分布55

2.6.4 含气率55

2.7 本章总结57

第三章 微泡生成三相流力学机理研究58

3.1 流体力学发展概述58

3.2 多相流研究概述59

3.2.1 研究概况60

3.2.2 颗粒轨道模型62

3.2.3 欧拉多相模型64

3.2.4 双流体模型64

3.2.4.1 双流体模型及其发展64

3.2.4.2 欧拉及拉格朗日观点比较和双流体模型通式66

3.2.5 气、固、液三流体模型67

3.2.6 紊流模型68

3.3 微泡发生器内三相流流动分析69

3.3.1 紊流流动69

3.3.2 射流传质70

3.3.3 相间耦合70

3.3.3.1 气液相间的动量传递71

3.3.3.2 气固、液固相间的动量传递73

3.3.3.3 相间湍流相互作用73

3.3.3.4 相内作用73

3.3.4 物理模型分析74

3.4 三相流混合模型的建立75

3.4.1 瞬态方程组76

3.4.2 时均方程组78

3.4.3 湍流封闭模型80

3.5 常数及符号84

3.6 本章小结85

第四章 基于CFD的数值模拟分析87

4.1 CFD概述及FLUENT软件88

4.1.1 CFD的发展概况88

4.1.2 CFD数值模拟方法及主要流程88

4.1.3 FLUENT软件简述90

4.2 微泡发生器中的两相流数值模拟91

4.2.1 计算域及数值计算模型91

4.2.2 边界条件及基本参数92

4.2.3 数值模拟结果分析93

4.3 微泡发生器中的三相流数值模拟98

4.3.1 微泡发生器总体结构98

4.3.2 数值计算边界条件99

4.3.3 三相流的基本参数99

4.3.4 计算域、控制方程和计算方法99

4.3.5 仿真模拟与计算分析100

4.3.5.1 喷嘴处矿浆喷射速度的仿真模拟与计算分析100

4.3.5.2 速度分布101

4.3.5.3 压力分布107

4.3.5.4 湍动能分布110

4.3.5.5 各相份额及分布111

4.4 本章总结113

第五章 浮选柱数学模型及微泡矿化机理研究114

5.1 浮选速率方程114

5.2 浮选柱内矿粒的滞留时间115

5.3 微泡矿化力学机理研究115

5.3.1 单个矿粒与单微泡的附着116

5.3.2 矿粒群与单微泡的附着118

5.3.3 单层附着118

5.3.4 多层附着120

5.4 矿化微泡的特性123

5.4.1 矿化微泡等速方程123

5.4.2 空气与矿浆的流速比123

5.4.3 矿化微泡密度124

5.4.4 矿化微泡直径125

5.5 微泡矿化的影响因素126

5.5.1 矿粒疏水性对微泡矿化的影响126

5.5.2 微泡直径对微泡矿化的影响126

5.5.3 矿粒粒度对微泡矿化的影响127

5.6 本章小结127

第二部分 应用实例131

第六章 射流式微泡发生器性能实验研究131

6.1 实验装置131

6.2 设计特点133

6.3 实验结果分析133

6.3.1 工艺参数的实验研究133

6.3.1.1 介质流量及其压力的影响134

6.3.1.2 背压的影响136

6.3.1.3 进气量的影响137

6.3.1.4 充气压力的影响138

6.3.2 结构参数的实验研究139

6.3.2.1 喷嘴到喉管入口间距的影响139

6.3.2.2 喉管结构形式及长径比的影响142

6.3.2.3 孔板（或筛网）的影响143

6.3.2.4 扩散管接入方式的影响144

6.4 本章总结146

第七章 旋流式微泡发生器147

7.1 旋流式微泡发生器的设计与仿真147

7.1.1 旋流式微泡发生器的工作原理147

7.1.2 旋流式微泡发生器的主要参数148

7.1.2.1 入水口直径148

7.1.2.2 内腔直径149

7.1.2.3 空气吸口直径149

7.1.2.4 混合物出口直径149

7.1.3 旋流式微泡发生器的三维仿真分析149

7.1.3.1 旋流式微泡发生器的三维建模150

7.1.3.2 旋流式微泡发生器的仿真参数设定150

7.1.3.3 反应流场特性的几个主要参数151

7.1.3.4 旋流自吸式微泡发生器内腔直径的参数设计152

7.1.3.5 旋流自吸式微泡发生器空气吸口直径的参数设计157

7.1.3.6 旋流自吸式微泡发生器混合物出口直径的参数设计161

7.1.3.7 最终模型确定163

7.1.3.8 仿真小结163

7.2 旋流式微泡发生器的实验研究164

7.2.1 旋流式微泡发生器的实物加工164

7.2.2 实验原理与装置165

7.2.3 微泡尺寸与工况参数的关系167

7.2.4 实验小结171

第八章 混流式微泡发生器的性能研究172

8.1 混流式微泡发生器的设计与仿真172

8.1.1 混流式微泡发生器的基本结构172

8.1.2 混流式微泡发生器的工作原理174

8.1.2.1 基本性能方程174

8.1.2.2 充气性能方程177

8.1.3 混流式微泡发生器基本性能的评价方法179

8.1.3.1 混流式微泡发生器内部流场流型179

8.1.3.2 微泡尺寸计算与测试182

8.2 混流式微泡发生器内流场数值模拟185

8.2.1 微泡发生器内部三相流场仿真研究185

8.2.2 仿真结果分析186

8.2.2.1 喷嘴性能分析与评价186

8.2.2.2 喉管性能分析与评价193

8.2.2.3 扩散管性能分析与评价199

8.2.2.4 浮选柱高度对微泡发生器性能的影响202

8.2.3 仿真小结203

第九章 自吸式剪切流微孔微泡发生器的研究204

9.1 影响微孔成泡的因素204

9.1.1 孔口特性的影响204

9.1.2 气室体积的影响205

9.1.3 浸没深度的影响206

9.1.4 液体的表面张力和气孔的润湿性的影响206

9.1.5 液体粘度的影响207

9.1.6 液体密度的影响207

9.1.7 气体流率的影响208

9.1.8 连续相速度的影响209

9.2 在剪切流下的小孔成泡210

9.2.1 单个成泡210

9.2.2 脉动成泡211

9.2.3 喷射成泡211

9.2.4 气穴成泡212

9.3 文丘里管212

9.4 多孔材料214

9.4.1 有机泡沫浸渍法214

9.4.2 发泡法215

9.4.3 添加造孔剂法215

9.5 自吸式剪切流微孔微泡发生器的仿真分析216

9.5.1 文丘里式-多孔介质微泡发生器的结构研究217

9.5.2 使用FLUENT对自吸式剪切流微孔微泡发生器的选优设计217

9.5.2.1 已知数据217

9.5.2.2 模型简化218

9.5.2.3 数值模拟参数设置218

9.5.2.4 入口半锥角α的优化219

9.5.2.5 出口半锥角对β的优化222

9.5.2.6 喉管长度1的确定226

9.5.2.7 陶瓷微孔膜管内径d对微泡发生器性能的影响229

9.5.2.8 气室空气入口数量的确定231

9.5.2.9 最终使用模型的确定232

9.5.3 仿真小结233

9.6 自吸式剪切流微孔微泡发生器的实验研究234

9.6.1 实验装置234

9.6.2 自吸状态下水流速度与微泡大小和含气率之间的关系235

9.6.3 气流率和剪切流速度对微泡粒径的影响236

9.6.4 实验小结237

第十章 微泡发生器性能分析评价系统研发238

10.1 系统概述238

10.1.1 系统开发相关工具238

10.1.2 系统总体结构240

10.2 参数化建模及网格划分模块240

10.2.1 微泡发生器结构的参数化241

10.2.2 模块实现方法243

10.2.3 参数化建模及网格划分模块开发246

10.3 分析求解及操作参数离散化模块250

10.3.1 模块实现方法250

10.3.2 求解模块开发252

10.3.3 操作参数离散化开发255

10.4 性能评价模块开发256

10.4.1 模块实现方法256

10.4.2 模块开发257

10.5 数据管理模块258

10.5.1 模块实现方法258

10.5.2 数据库设计258

10.5.3 数据查询模块开发261

10.6 性能分析实例262

10.7 研发小结263

第三部分 电导法检测液位、泡沫层的研究267

第十一章 检测液位、泡沫层及其传感器研究267

11.1 泡沫层厚度、液位高度对浮选的影响267

11.1.1 泡沫层结构267

11.1.2 泡沫层性质268

11.1.3 液位高度对浮选的影响269

11.2 浮选柱液位检测方法分析270

11.3 电导式浮选液位传感器的研究273

11.3.1 电导率液位检测法原理274

11.3.2 静态矿浆与矿化泡沫物理特性的研究275

11.3.3 小型浮选槽试验277

11.3.4 试验结论281

11.4 电导式浮选液位传感器的设计281

11.4.1 检测原理282

11.4.2 电导率液位传感器结构设计282

11.4.3 电导率液位传感器控制电路设计284

11.4.4 传感器检测电路和A/D转换电路精度测试286

11.5 本章小结288

第十二章 检测装置设计290

12.1 电阻式远传压力表291

12.2 检测装置硬件实现292

12.2.1 控制芯片的选择292

12.2.2 时钟电路与复位电路293

12.2.3 A/D转换电路294

12.2.4 串口通信电路295

12.2.5 键盘与显示电路297

12.2.6 系统电源298

12.3 检测软件设计298

12.3.1 数字滤波300

12.3.2 检测系统初始化301

12.3.3 压力检测程序302

12.3.4 液位传感器的信号采集及预处理程序302

12.3.5 液位高度及泡沫层厚度判定程序303

12.3.6 报警程序306

12.3.7 串行中断程序307

12.3.8 上位机程序设计308

12.3.8.1 Windows环境下串行通信的实现308

12.3.8.2 上位机监测系统的功能要求310

12.3.8.3 上位机程序的实现310

12.4 实际检测实验311

12.4.1 工作背压对微泡发生器性能的影响312

12.4.2 微泡发生器工作压力对泡沫层厚度的影响314

12.4.3 进气阀开度对泡沫层的影响317

12.5 本章小结319

第十三章 总结与展望320

13.1 研究成果320

13.2 展望322

参考文献323

总结与展望334

后记337