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