[发明专利]一种基于FLUENT-EDEM耦合仿真的螺旋分选机结构优化方法

说明书

本发明提供一种基于FLUENT‑EDEM耦合仿真的螺旋分选机结构优化方法，属于能源领域。该方法基于CFD技术，进行有限元ANSYS mesh网格划分后，使用FLUENT模拟流体流动状态，并通过CFD与DEM双向耦合数值模拟，采用欧拉‑拉格朗日模型进行仿真。该方法可以清楚直观地分析颗粒在流体中的运动情况，并且通过模拟分析对螺旋分选机的各项参数进行改进优化，指导工业生产中颗粒分选机最优化操作及运行，实现事半功倍和提质增效。相较其它传统实验设备研究方法，该方法具备研发成本耗资更低、局限性更小、设计效率更高等优点。

技术领域

本发明属于能源领域，具体涉及一种基于CFD螺旋分选机的优化设计与仿真技术与方法。

背景技术

螺旋分选机是依靠是矿浆中的颗粒在重力、水流曳力、离心力等作用下按密度差异实现分层分选的细粒煤重选设备。螺旋分选机的分选效果与分选机的结构参数(包括切向倾角、径向倾角、槽底形状、螺旋槽的长度和形状和旋转速度及方向等参数)有紧密联系(参考文献：赵银银.螺旋分选机结构参数对分选效果的影响[J].机械管理开发,2018,33(09):123-124.DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2018.09.052.)。

其在实际应用中的常见故障及其原因主要有：1.分选矿石效率低下；2.槽内煤泥量突然增多；3.产品质量不合要求；4.槽上的静态颗粒太大；5.个别槽煤泥量明显降低。该专利所介绍的优化设计与仿真方案可以极大程度的解决分选机以分选效率低下为主的各项问题。并且螺旋分选机的其他研究方法存在理论分析不足(只可用于螺旋分选机流场的定性分析，相关经验公式缺乏试验验证)以及试验测定不足(精度有限，尤其是螺旋槽内缘流膜较薄时，很难准确测出实际的流膜厚度需要特定的试验测试装置，成本较高；流膜较薄时测试结果不理想；需要将从槽底注射示踪液体，操作要求较高)等不足之处。

实践表明，相对于其他分选设备，螺旋分选机具有结构简单、分选效率高、无噪音、无转动部件、无动力、维修费用极少、使用期限较长等优点。设备分选密度通常在1.60g/cm³及以上，多用于动力煤选煤厂及可选性好的炼焦煤选煤厂。

通过实验方法难以分析颗粒在螺旋分选机中的运动和分选过程，而通过制作实物装置来探究螺旋分选机结构参数对分选效果的影响成本过高难以实现。因此，利用计算流体力学(CFD)结合颗粒离散元(DEM)来模拟颗粒在流体中运动情况以分析不同结构参数螺旋分选机分选效果是一种有效途径，对于颗粒与气液流程的模拟主要采用欧拉-欧拉模型和欧拉-拉格朗日模型。国内外关于利用CFD仿真模拟优化螺旋分选机效果研究较少，高淑玲等人采用CFD方法研究了内槽和中槽斜率对流场特性和颗粒分离性能的影响，通过调整内槽和中槽的坡度将分离效率提高至80.80％(参考文献：Gao,S.L.,Meng,L.G.,Zhou,X.H.,Shen,Y.B.,Cui,B.Y.,Song,Z.G.Design of partial cross-sectional geometryand prediction of separation performance in the spiral separator.SeparationScience and Technology.doi:10.1 080/01496395.2022.2028166)。近年来，随着颗粒离散理论(DEM)与多相流动模型的不断成熟，CFD结合DEM模拟固液两相流结果越来越接近真实值(参考文献：黄波,许秋石,徐宏祥,叶贵川,刘翔.螺旋分选机流场及颗粒运动的数值模拟研究[J].中国矿业大学学报,2019,48(03):655-661.DOI:10.13247/j.cnki.jcumt.001011.)。因此，利用CFD进行螺旋分选机结构参数优化以获得更好的分选效果有较高的实现可能和价值。前述研究着重关注于某种特定结构参数对分选效果的影响，本方法优势在于不仅综合考虑所有结构参数来获得最优结构，还考虑螺旋分选机结构成本与分选效果的关系，以此获得低成本高效率的分选机，更宜于工业实际应用。本发明旨在利用建模模拟不同结构参数的螺旋分选机，同时运用FLUENT+EDEM等软件模拟计算液固两相流在螺旋分选机的运动情况，通过不断调整螺旋分选机的结构参数获得最优的分选效果。