[发明专利]一种螺旋溜槽断面几何分段优化与组合设计方法

说明书

本发明提供一种螺旋溜槽断面几何分段优化与组合设计方法，包括：基于实际试验的验证和修正，建立高精度的螺旋溜槽内流场及固体颗粒场计算模型；确定目标工况下螺旋溜槽的结构参数、操作参数及物料性质；对传统抛物线型断面进行区域划分，并利用线段代替内缘和中部的断面曲线；基于响应面分析法设计组合断面几何优化数值试验；利用SolidWorks软件构建不同组合断面几何的螺旋溜槽物理模型；将计算区域离散成六面体网格，并导入至CFD软件进行数值计算；利用Design‑Expert软件对数值计算结果进行响应面优化分析；输出内缘线段和中部线段的横向倾角，最终得到组合断面几何的优化设计结果。本发明能够提高组合断面几何螺旋溜槽的分离性能及其设计效率。

技术领域

本发明涉及复合力场选矿设备技术领域，特别是涉及一种螺旋溜槽断面几何分段优化与组合设计方法。

背景技术

随着优质矿产资源匮乏程度加剧以及生产环保要求的不断提高，加强对重选过程的调控与优化不失为一种可行的途径。螺旋溜槽作为一种基于拜格诺剪切理论的流膜选矿设备，在微细粒级物料分选过程中展现了良好的分离性能。断面结构参数是决定螺旋溜槽内流场和颗粒分离行为的根本要素，因此在进行设计时往往首先根据待分离物料的性质对该参数进行确定。常用的断面曲线通常为一条连续的立方抛物线或椭圆弧线，这种槽体易于加工，也基本符合物料分选的要求，但不同槽面区间所发挥的作用仍未被充分发掘。申请者团队通过大量研究发现，流体动力学参数沿径向槽面的分布特性呈现出明显的差异性，因此不同区间的断面几何所发挥的作用必然是不同的。

实践表明，将两种或三种断面曲线经过拼接所形成的组合断面曲线可以起到更好的分选效果(参阅以下专利：CN200520133243.9；CN201920039962.6；CN201921037798.1)，因此对断面曲线进行分段优化是必要且有效的。然而，以往在确定最优断面形状时大多是基于试错试验，这种做法一方面会造成较多的人力及物力资源的浪费，另一方面也难以从根本上揭示断面几何对流场和颗粒分离行为的影响机制。因此，亟待从多相流体动力学的角度建立一种低成本且高效的组合断面形状设计方法。

近年来，数值仿真的蓬勃发展为螺旋溜槽内流场及颗粒分离过程的可视化和定量化提供了有力的支撑。借助于高精度的数值试验不仅能大幅度降低螺旋溜槽的分离试验及设备选型成本，而且还可以查明不同断面区间对螺旋溜槽内的流场特性以及颗粒运动行为实施影响的流体动力学实质，进而为组合断面形状的优化设计提供科学依据。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于计算流体力学原理(Computational FluidDynamics，简称CFD)和少量验证性试验的螺旋溜槽组合断面形状优化设计方法，本发明能够对任一抛物线型断面几何进行分段优化及组合设计，从而有效减少实物试验工作量和试错性螺旋溜槽样机的制作成本，从根本上优化螺旋溜槽结构参数设计过程。

为了实现上述目的，本发明提供了一种结合CFD原理和局部验证性试验的螺旋溜槽组合断面几何优化设计方法，其包括以下步骤：

S1、基于实际试验的验证和修正，确立高精度的螺旋溜槽内流场及固体颗粒场的数值计算模型；

所述流场数值方法经过筛选和系统考察，并借助于流体动力学参数测试结果对流场数值模型及其结果进行验证及必要修正，获得高精度的流场计算模型；

所述固体颗粒场数值计算方法亦经过筛选和系统考察，并以同等条件下的颗粒分离试验结果为判据，对颗粒计算模型及其程序进行调整与改进，获得高精度的固体颗粒场计算模型；

S2、确定目标工况下螺旋溜槽的结构参数、操作条件和待分选物料性质；

所述结构参数包括：基础断面形状、螺距P、外半径R、内半径r₀、圈数N；

进一步的，所述基础断面形状为任一常用抛物线型断面曲线，其在笛卡尔坐标系下的表达式为：