2026第三届中国微细粒矿物选矿技术大会：颗粒与气泡相互作用行为研究

路堂力行路堂力行ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing第三届中国微细粒矿物选矿技术大会颗粒与气泡相互作用行为研究张志军中国矿业大学(北京)三、静水环境DEM模拟四、湍流环境CFD-DEM模拟静水环境湍静水环境湍流环境无论是静水环境还是湍流环境下，颗粒一气泡间相互作用可分为：碰撞、黏附、脱附。然而目前颗粒-气泡粘附、脱附的微观过程仍不太颗粒碰撞颗粒颗粒Ea黏附颗粒黏附颗粒气泡Ea脱附颗粒Ed浮力颗粒疏水作用力范德华作用力静电作用力重力沉降阻力润滑阻力静水压力离心力毛细管力拉普拉斯压力气泡颗粒-气泡间力学模型颗粒-气泡间力学模型一、研究背景二、颗粒-气泡结合体力学模型三、流体阻力接触力接触力流体阻力总压力离心力颗粒离心力颗粒毛细管力xy颗粒-气泡表面力流体力微观尺度颗粒-气泡相互作用研究困境黏附和脱附过程颗粒-气泡间黏附脱附过程尺度非常微小浮选中颗粒与气泡黏附颗粒-气泡间黏附脱附过程尺度非常微小给微观尺度下颗粒-气泡相互作用试验表征提出了挑战气泡颗粒气泡运动方向临界脱附点初始粘附位置滑动区动态接触角动态三相接触周长DynamicTPCline界面形状初始状态临界脱附状态玻璃球形颗粒疏水化处理步骤1步骤4玻璃微珠清洗按照3:1的用量将浓硫酸和过氧化氢混合，并在80~90℃的环境下清洗30分钟。玻璃微珠疏水化将清洗的玻璃珠放置于装有烷在甲苯中配制浓度为1mmol/L的溶液)的聚四氟乙烯烧杯中，通过控制反应时间调控样品表面疏水性。将反应完成后取出的样品先用甲苯冲洗数次，后再用无水乙醇冲洗数次，最后用氮气气流吹干，以确保完全移除样品表面残留的溶液，使得样品表面均匀和光滑。10min30min40min50min60min毛细管FEP膜FEP膜压电陶瓷片颗粒-气泡间相互作用力实时测试装置实物图脱附动态过程(毛细管垂直位移脱附过程分脱附过程分三个阶段I气泡拉伸Ⅱ气泡滑移Ⅲ气泡细颈动态接触角、三相接触周长的变化规律脱附过程各界面力的动态变化AnalysisofdynamiccontactangleandTPClineInterfaceforceanalysis200Capillaryforce——TPCperimeterVerticaldisplacement/μmDetachmentforceanalysis—Measureddetachmentforce■Calculateddetachmentforce40Fdmax=63.28μN200Verticaldisplacement/μm临界脱附力模型二、脱附动态过程研究二、脱附动态过程研究扬声器毛细管微量注射器颗粒高速相机颗粒显微镜水槽振荡脱附过程Casenumber振荡脱附力离心脱附力Immersiontime(min)诱导时间测试仪(1毫秒)动态力学测试仪(0.04微牛)液膜薄化测试仪(1纳米)研究成果研究成果设备推广设备推广北京科技大学、武汉工程大学、华北理工大学、内蒙古科技大学等院校。离散元法(DiscreteElementMethod,DEM)是根据力-位移定律进行迭代计算，其能很好地解决颗粒-气泡间的相互作用力以及气泡变形等难点，因此该方法适用于模拟研为了能够处理更加真实和复杂的流体环境，可以采用CFD-DEM耦合的方法，该方法结合了CFD和DEM方法的长处，即考虑了颗粒与流场间的相互作用与颗粒与气泡间的表面力、气泡的运动变形在颗粒-气泡间力学理论的基础上采用离散元法(DEM)构建了颗粒-气泡间相互作用行为的模拟系统。模拟了粒度0.1mm,密度为-1.3,1.4-1.5,+1.7g/cm³球形和6种不规则形状煤颗粒与固定气泡在静止水环境中的相互作用行为。颗粒控制方程：气泡“赤道”静水环境模拟系统示意图Diagramofthesimulationsystem1流体密度pi(kg/m³)1碰撞恢复系数接触刚度k(N/m)时间步△t(s)颗粒性质参数Particlepropertyparameters颗粒性质颗粒密度pp(g/cm³)表面电位y(mV)-22.4-25.2-28.6Hamaker常数A132(J)1.05×10-209.32×10-²2疏水作用力常数K132(J)3.82×10-190球形度逐渐降低球形度逐渐降低(a)不规则-a(c)不规则-c球形度=0.746不规则颗粒离散元模型试验(QimingZhuo,2021)模拟(不规则f颗粒)(b)模拟结果(不规则f颗粒)2.502.252.001.751.501.251.000.750.500.250.00球形颗粒41.52°,不规则e颗粒41.74%液膜破裂&TPCL形成气泡气泡颗粒-气泡相互作用行为(a)球形颗粒(b)不规则e颗粒Comparisonparticle-bubbleinteractionbehavior(a)Sphericalparticle(b)Irregular-eparticle◆◆颗粒-气泡间相互作用行为视频：2.502.252.000.750.500.250.002.502.250.750.500.250.00静水环境B-C段：颗粒做绕流运动，C点碰撞C-D段：颗粒在液膜上滑动D-E段：液膜破裂&TPCL形成E-F段：伴随TPCL滑动在D-E段，与球形颗粒相比不规则e颗Schematicdiagramofirregularparticlerotation222222000025254c=46.23°41≤φc临界碰撞角示意图Schematicdiagramofcriticalcollisionangle不规则-a不规则-a不规则-c不规则-e不规则-b不规则-d△φc=18.46°颗粒密度(g/cm³)ZRc碰撞△t=临界诱导时间气泡气泡临界诱导时间示意图Schematicdiagramofcri球形球形不规则-f△t=46.33ms颗粒密度(g/cm³)四、湍流环境CFD-DEM模拟为了能够处理更加真实和复杂的流体环境，可以采用CFD-DEM耦合的方法，该方法结合了CFD和DEM方法的长处，!即考虑了颗粒与流场间的相互作用、表面力、颗粒与气泡间作用力等。为了模拟实际浮选过程中的流场，采用格栅构建湍流流场，通过建模时气泡与格栅间的不同距离模拟浮选槽内不同位置的颗粒与气泡相互作用过程。划分网格6mm模型网格示意图模型网格示意图格栅与气泡距离1mm一格栅与气泡距离1.5mm—格栅与气泡距离3mm流场流速(m/s)四、湍流环境CFD-DEM模拟小小于临界流场速度大于临界流场速度随着气泡参数颗粒与气泡的临界脱附流速也会不断变化p=1500kg/m³一p=2000kg/m³气泡大小(mm)一—0.1particle0.20-一—0.2particle—0.3particle气泡大小(mm)临界脱附流速随气泡大小变化的示意图(黏附过程)四、湍流环境CFD-DEM模拟不同大小气泡的脱附过程不同大小气泡的脱附过程气泡大小不断增加大气泡更容易发生脱附0.90一0.90一0.6009一p=1500kg/m³一—p=2000kg/m³—0.—0.1particle一—0.2particle一0.3particle气泡大小(mm)气泡大小(mm)临界脱附流速随气泡大小变化的示意图(脱附过程)一小于一小于临界流场速度大于临界流场速度 颗粒大小不断增加0.24-0.24-0.18-0.150.12p=2000kg/m³p=2500kg/m³0.100.150.200.250.30颗粒大小(mm)临界脱附流速随颗粒粒度、密度大小变化的示意图(黏附过程)随着颗粒参数的变换颗粒与气泡的临界脱附流速也会不断变化四、湍流环境CFD-DEM模拟不同颗粒大