基于润湿膜时空演化的颗粒-气泡间相互作用力数值求解

颗粒-气泡间的相互作用涉及颗粒-气泡碰撞、黏附和脱附,作为泡沫浮选的基本单元直接影响浮选效率。其中,颗粒-气泡黏附伴随着颗粒-气泡间润湿膜的薄化破裂。明晰润湿膜薄化过程中颗粒-气泡间的相互作用,对强化难浮煤/难选矿浮选回收具有重要的理论指导意义。采用动态润湿膜测试系统(DWFA)研究了亲/疏水二氧化硅表面与气泡之间润湿膜的时空演化,基于润湿膜薄化动力学数据数值求解了颗粒-气泡间相互作用力,进一步分析了润湿膜薄化过程中流体力和表面力协同作用机制。结果表明,亲水二氧化硅-气泡间润湿膜最终呈现“U”型平衡轮廓,其中心点厚度为121.0 nm;疏水二氧化硅-气泡间润湿膜不稳定并于0.93 s快速破裂,中心点临界破裂厚度为157.8 nm。颗粒-气泡相互作用力学分析表明,分离距离较远时,马达以6μm/s给定速度驱动样品接近气泡,流体力是颗粒-气泡润湿膜排液的最主要贡献力。当颗粒-气泡分离距离缩短至约300 nm时,表面力开始作用。亲水二氧化硅-气泡间润湿膜排液速率低、达到平衡所需时间久,在润湿膜稳定前,马达停止驱动,继而流体力减小,表面力增大,排斥性分离压力主导亲水二氧化硅-气泡间润湿膜缓慢排液至平衡。疏水二氧化硅-气泡间流体力持续增大,随着分离距离减小,吸引性范德华力或疏水力等表面力作用,诱发润湿膜快速破裂。因此,对于表面疏水性弱的二氧化硅,其与气泡间排斥作用强,不利于颗粒-气泡黏附;通过表面改性方法提高其表面疏水性,可诱发颗粒-气泡间润湿膜破裂,提高黏附概率,这归因于疏水颗粒-气泡间吸引性分离压力。

形状渐变的颗粒与沉降液的相互作用

工业过程中存在大量的含非球形颗粒的多相流动,研究这类颗粒与流体的相互作用有重要的应用价值。本文选择底面为方形、形状随边长和高度规律变化的长方体颗粒,采用单颗粒沉降法测量了曳力系数,研究了形状变化、材料密度和沉降液黏度的影响。发现曳力系数在整个颗粒Re_p数范围(0.05～6300)内均高于球形颗粒,特别是采用阿基米德数Ar与Re_p数可揭示出所有数据的内在规律,提出了适用于这类长方体颗粒所有形状的统一曳力模型。

三维矩形槽道中颗粒沉降的数值模拟

采用三维格子Boltzmann方法对矩形通道中的颗粒沉降进行了模拟研究.单颗粒沉降的模拟结果表明,颗粒最终的稳定沉降位置沿槽道中心线,不受颗粒初始位置和直径的影响.颗粒和壁面之间的两体相互效应可以用无因次沉降速度定量描述,无因次沉降速度的模拟结果和实验结果定量上吻合一致.模拟分析了双颗粒沉降的DKT(drafting,kissing and tumbling)过程,探讨了颗粒直径比以及壁面效应对DKT过程的影响.模拟发现当颗粒直径相同时,双颗粒的沉降过程为周期性的DKT过程,从而形成双螺旋形式的沉降轨迹,此螺旋沉降轨迹的频率和振幅受颗粒初始位置影响.从模拟结果中还得到颗粒群的最终稳定构型,并进行了构型对比分析.最后对包含49个颗粒的颗粒群沉降行为进行了模拟,说明多体相互作用在对称性的情况下可以简化.