《Advanced Powder Technology》：Study on the strengthening mechanism of double paddles scrubber based on DEM-VOF method
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矿石洗选作为预处理工艺，对后续的磨矿与选矿作业具有重要影响。双桨擦洗机已在工业中广泛应用，但其摩擦机制尚未被充分揭示。本研究采用离散元法—流体体积法（Discrete Element Method–Volume of Fluid, DEM-VOF）耦合数值模拟
矿石洗选作为预处理工艺，对后续的磨矿与选矿作业具有重要影响。双桨擦洗机已在工业中广泛应用，但其摩擦机制尚未被充分揭示。本研究采用离散元法—流体体积法（Discrete Element Method–Volume of Fluid, DEM-VOF）耦合数值模拟，系统分析了顺时针（Turn Clockwise, TC）与逆时针（Rotate Counterclockwise, RC）旋转模式、转速及颗粒浓度对搅拌槽内颗粒流动特性的影响。定量分析表明，RC系统的平均碰撞次数较TC系统高出26.95%，显著提升了颗粒碰撞频率；RC旋转导致桨间中心区域出现显著的颗粒富集现象，其平均颗粒数量较TC系统高出86.78%，进一步增强了擦洗性能。当转速由300 rpm提升至400 rpm时，颗粒平均速度、碰撞次数、颗粒-壁面接触力及颗粒间接触力分别提高了40.74%、27.51%、33.33%和60%。当颗粒数从10,000增至30,000时，平均碰撞次数由1593次上升至6118次。本研究为改善矿物颗粒擦洗性能提供了理论基础。
研究背景与意义
含泥矿石在全球矿产资源中占有重要比例，尤其在铁矿、铝土矿、铜矿及稀有金属矿床中分布广泛。细粒级含泥矿物（主要为黏土）易附着在目标矿物表面，增加分选难度并降低精矿品位。黏土颗粒会包裹矿物颗粒，阻碍其与浮选药剂的相互作用，同时不可逆吸附捕收剂和抑制剂，造成药剂消耗增加。矿物擦洗作为关键的预处理环节，依靠机械摩擦与颗粒碰撞实现分散与表面清洗，为后续选矿创造有利条件。尽管已有大量研究关注擦洗工艺参数优化，但从颗粒流动动力学角度解析擦洗机制的研究仍较少。双桨擦洗机作为核心设备，其叶轮结构与运动模式的协同作用对擦洗效率至关重要。传统单相或双相流模拟方法难以准确捕捉高浓度颗粒间的相互作用，因此，本研究采用DEM-VOF耦合方法，以深入揭示双桨擦洗机的强化机制。该研究成果发表于《Advanced Powder Technology》。
关键技术方法
研究基于欧拉-拉格朗日框架下的DEM-VOF耦合数值模拟方法，建立了三维双桨擦洗机几何模型，网格划分与边界条件设置参考实际工业设备尺寸。通过对比TC与RC两种旋转模式，分析不同转速（300–400 rpm）及颗粒数量（10,000–30,000）条件下的颗粒流动特性。DEM模型用于追踪颗粒运动轨迹，VOF方法用于捕捉自由液面及气液两相界面，结合湍流模型对搅拌槽内的多相流场进行模拟。所有仿真均在相同初始条件下运行，以保证结果可比性。
研究结果
Effect of rotation direction on multiphase flow
双桨叶片倾斜方向相反的设计在桨间中心区域形成高强度剪切区。RC模式下，上下桨的轴向流动协同促进流体与颗粒向中心聚集，形成显著的颗粒富集区；TC模式则表现为径向与轴向流动的混合分布，颗粒分布相对均匀。RC模式下的颗粒碰撞频率显著高于TC模式，这与中心区域的颗粒密度增加直接相关。
Influence of rotational speed
随着转速由300 rpm提高至400 rpm，颗粒平均速度、碰撞次数、颗粒-壁面接触力及颗粒间接触力均显著增加，增幅分别为40.74%、27.51%、33.33%和60%。这表明提高转速可有效增强机械摩擦与剪切作用，从而提升擦洗效率。
Effect of particle concentration
当颗粒数量从10,000增至30,000时，平均碰撞次数由1593次上升至6118次，增幅显著。高颗粒浓度下，颗粒间接触频率增加，摩擦作用增强，但过高的浓度可能导致流动死区扩大，需在工艺设计中平衡。
讨论与结论
本研究通过DEM-VOF耦合模拟揭示了双桨擦洗机在不同旋转模式下的颗粒流动与碰撞特征。RC模式因其在桨间中心区域形成的颗粒富集效应和高剪切环境，表现出优于TC模式的擦洗性能。转速与颗粒浓度的增加均能显著提升碰撞频率与接触力，从而增强擦洗效果。研究结果为优化双桨擦洗机的设计与操作参数提供了理论依据，有助于提升含泥矿石的预处理效率。
结论翻译
This study systematically investigated the attrition mechanisms of a coaxial reverse-blade scrubber using the DEM-VOF numerical simulation method. The effects of TC, RC, rotational speed, and particle quantity on the flow characteristics of mineral particles in the stirring tank were comprehensively analyzed, and several key conclusions were obtained. The axial flow pattern generated by the coordinated movement of the upper and lower paddles in the RC stirring system promotes fluid and particle aggregation in the central region between the paddles, significantly increasing collision frequency and scrubbing performance. Increasing rotational speed enhances particle velocity, collision frequency, and contact forces, thereby improving attrition efficiency. Higher particle concentrations further elevate collision rates, though excessive concentrations may reduce flow uniformity. These findings provide a theoretical basis for optimizing scrubber design and operational parameters to enhance the pretreatment efficiency of slime-bearing ores.
