采用金属不锈钢球和氧化铜纳米颗粒的半球形太阳能蒸馏器中的混合传热强化

《Separation and Purification Technology》：Hybrid heat-transfer enhancement in hemispherical solar stills employing boules scrubber metallic inox and copper oxide nanoparticles

螺旋分选器在矿物分选中应用广泛，但设计优化依赖计算建模与实验验证。本文系统综述了CFD、DEM及混合模型在分离机制预测中的优劣，指出经验模型如响应面法在优化中的应用及局限性，并探讨超细颗粒与工业规模化建模的挑战，提出统一设计框架。

　　

Sukhwinder Singh Sekhon | Shankar Sehgal

摘要

螺旋分离器因其高效性和成本效益而在矿物分选领域得到广泛应用；然而，设计针对特定矿物的螺旋分离器几何结构仍然具有挑战性。本文综述了利用计算建模和优化技术在矿物分离器设计方面的最新进展。尽管已经有很多关于本构模型的计算研究，但对各种计算建模和优化方法的全面评估仍然有限。该综述系统地评估了多种计算建模和优化方法，并整合了先进的验证工具。文章概述了影响颗粒分离的设计参数和流体力学原理。讨论了螺旋分离器在煤炭、铁矿石、铬铁矿、砂子、云母、长石和稀土元素（REE）等矿物分选、提纯和分离中的应用趋势。综述的核心内容是对各种计算模型进行了批判性分析，以理解流动动力学、分离机制以及螺旋几何结构的优化。分析的物理模型包括计算流体动力学（CFD）、离散元方法（DEM）以及CFD-DEM混合方法，同时还考虑了半经验性和分析性框架。文章还评估了响应面法（RSM）和田口方法等经验策略在设计和过程优化中的作用。重要的是，本文分析了计算模型与正电子发射粒子跟踪（PEPT）和光学方法等先进实验工具之间的协同作用。主要结论包括：(i) CFD-DEM方法具有最高的机理真实性，但计算成本较高；(ii) 经验模型是优化的优选工具，但其通用性有限；(iii) 在密集浆料中超细颗粒的建模以及工业规模应用方面存在重大差距。该综述为螺旋分离器设计提供了一个统一的框架，并基于计算成本、复杂性、目标和准确性进行了基准测试。

引言

螺旋分离器（或螺旋浓缩机）是一种基于重力的分离装置，广泛应用于采矿行业的矿物分选过程中，用于细颗粒的分类和浓缩。螺旋分离器的分离过程依赖于浆料中颗粒的大小、形状和密度的差异，这些差异通过螺旋分离器的螺旋槽实现重力驱动[1,2]。

由于操作简便、运行成本低且分离效率高，螺旋分离器在煤炭和其他矿物的分选中得到广泛应用[3,4]。然而，随着对分离效率提高的需求不断增加，人们通过计算建模和仿真方法研究了复杂流动模式以及设计参数对螺旋分离器设计优化的影响[4],[5],[6]。

最近的发展体现在数值模拟、数学建模、混合数值框架以及设计优化、流动模拟和流体中颗粒跟踪技术的进步上[7]。本文旨在全面介绍不同本构模型和实验方法的研究进展，重点关注计算流体动力学（CFD）、离散元方法（DEM）、CFD-DEM、半经验性和分析方法等计算建模策略的开发与应用，还包括响应面法（RSM）和田口方法等经验方法，以及正电子发射粒子跟踪（PEPT）和光学方法等实验方法在流体流动分析、颗粒分离、预测和设计优化中的应用，以提高螺旋分离器的处理能力和分离效率。

螺旋分离器的设计参数

螺旋分离器的一般结构包括一个连接到中央柱的螺旋槽，顶部设有进料装置。物料沿着螺旋槽围绕中央柱流动。螺旋分离器的旋转次数通常在3到5次之间，具体取决于应用场景。影响螺旋分离器运行效率的关键几何参数包括槽坡度、螺旋槽轮廓、螺旋通道的螺距和间隔器位置[8]。

主流和次要流动模式及分离过程

螺旋分离器中的流动模式包括主流（向下流动的槽内物料）和横向于主流的次要流动。次要流动是由于最下层流体与上层流体所受摩擦力和离心力的差异产生的，因此上层流体倾向于向外移动，而下层流体则倾向于向内移动，如图2所示[11,12]。

螺旋分离器在矿物分选和加工中的应用

螺旋分离器在多种矿物系统中得到了广泛应用，根据进料粒度、螺旋螺距、分流器位置和浆料密度等因素，为细颗粒和粗颗粒的分选提供了经济高效的分选方案，如图6所示。

下表总结了螺旋分离器在各种矿物中的应用情况：

总之，螺旋分离器作为基于重力的基本分离技术，在矿物分选中发挥着重要作用

螺旋分离器的计算建模与性能优化

前文强调了大量的工业和实验规模研究，证明了螺旋分离器在多种矿物回收和分选中的有效性。这些研究通常针对特定的螺旋分离器设计和操作条件进行，发现这些因素对分离器的有效性、可扩展性和成本具有重要影响。为了有效提升分离器的性能和预测能力

结论与未来展望

本文全面讨论了用于研究矿物加工和分选中螺旋分离器内含颗粒流动的各种建模、仿真和优化方法。该综述建立了一个统一的框架，整理了螺旋分离器设计和过程优化所需的本构模型和实验验证技术。

作者贡献声明

Sukhwinder Singh Sekhon：撰写——综述与编辑、初稿撰写、可视化处理、数据验证、软件开发、概念构建。Shankar Sehgal：撰写——综述与编辑、可视化处理、数据验证、项目监督、资源协调、资金获取、正式分析。

未引用的参考文献

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利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。