螺旋选矿机入口流量对动态液膜厚度及流动稳定性的影响机制研究

针对螺旋选矿机中液膜动态行为影响分选效率的关键问题，研究人员通过实验与计算流体力学(CFD)模拟相结合，系统研究了工业级螺旋选矿机中滚动波动力学特性。研究发现入口流量(Q)是核心调控参数：Q=9 L/min时波幅最大但稳定性最差；Q=11 L/min实现最优波形稳定性；Q=13 L/min产生峰值弗劳德数(Fr≈2.83)。研究首次揭示了滚动波通过调节近壁剪切率诱导Bagnold力波动(±38%)的颗粒分选机制，为重力分离优化提供了理论依据。

　　

在矿物加工领域，螺旋选矿机因其低成本、高富集比和环境友好等优势，成为铁、锡、钨等矿物分选的核心装备。然而，这种设备在实际运行中常出现令人困扰的现象——液膜表面会自发形成周期性波动的"滚动波"，这种动态行为会显著改变流体力学特性，进而影响颗粒分选效率。尽管早先有学者观察到这种波动现象，但其形成机制和演化规律始终是未解之谜。更棘手的是，传统开放式渠道的浅水波理论无法直接应用于螺旋选矿机，因为后者特有的旋转离心力和复杂曲面结构会产生独特的二次环流，这使得研究人员亟需建立专门的理论体系。

针对这一科学难题，来自中国的研究团队在《Powder Technology》发表了创新性研究成果。该研究创造性地将水利学中的滚动波理论与现代计算流体力学(CFD)技术相结合，通过工业级螺旋选矿机的实验观测和数值模拟，首次系统揭示了入口流量对动态液膜行为的调控规律。研究采用VOF(Volume of Fluid)多相流模型和SST湍流模型进行CFD仿真，结合激光多普勒测速等实验手段，构建了涵盖5-15 L/min流量范围的完整分析体系。

Factors affecting dynamic liquid film thickness
研究发现螺旋槽道的一次倾角α和二次倾角β共同决定了液膜分布特征。通过建立包含离心加速度项的修正Navier-Stokes方程，团队量化了复杂曲率对流动轨迹的影响，为后续波动分析奠定了理论基础。

Simulation analysis method
研究创新性地采用SST k-ω湍流模型捕捉近壁区流动细节，结合VOF方法追踪气液界面演化。通过设置0.05 mm的槽底粗糙高度(K_s)，模拟结果与实验观测的波形特征高度吻合，验证了模型的可靠性。

Simulation results and analysis
在Q=9 L/min工况下，液膜呈现最大波幅但频率最低的不稳定状态；当Q提升至11 L/min时，波形稳定性达到最优；而Q=13 L/min时产生峰值弗劳德数(Fr≈2.83)，符合波高演化的单峰趋势。更关键的发现是：滚动波会通过调制近壁剪切率，引发Bagnold力(颗粒在剪切流中受到的升力)产生±38%的剧烈波动——这种周期性扰动在Q=9/13 L/min时能显著促进颗粒松散和分层，而在Q=11 L/min时稳定的剪切率则有利于颗粒均匀流动。

Conclusion
该研究不仅阐明了螺旋选矿机中滚动波的产生机制和演化规律，更重要的是建立了波形特征与颗粒分选效率的定量关联。研究发现入口流量通过改变弗劳德数(Fr)和Bagnold力波动幅度来调控分选过程，其中11 L/min的流量条件能产生最佳稳定性，这为工业参数优化提供了明确指导。理论层面，研究提出的修正Navier-Stokes方程和SST-VOF耦合方法，为复杂旋转流场中的波动分析建立了新范式。

这项研究的价值不仅限于矿物加工领域——其揭示的旋转曲面流场中波动产生机制，对化工反应器设计、微流控芯片优化等涉及复杂流场的工程问题都具有重要借鉴意义。特别是提出的Bagnold力波动调控颗粒行为的新机制，为多相流理论研究开辟了新视角。正如研究者Huizhong Liu和Jian Wang在文中强调的，这项工作"建立了滚动波条件下颗粒分布和运动特性的理论基础"，标志着流体力学与矿物加工学科的深度交叉融合。