螺旋溜槽作为典型的重力分选设备，凭借低成本且绿色高效的特性在矿物加工中广泛应用，其通过离心力与重力联合作用下的颗粒运动差异实现分选，机理受控于颗粒物性参数与流场协同作用。现有研究多聚焦于光滑壁面条件下的流动与分选特性，而实际运行中受前序作业、机械磨损及物料冲击影响，槽面粗糙度呈现显著时变特征。已有研究表明，壁面粗糙度对湍流结构、边界层厚度甚至速度分布都有显著的影响，不仅影响流体动能传递，更会调控颗粒运动分离的动力学过程。针对于螺旋溜槽，特别是槽体中部作为低密度粗颗粒与高密度颗粒的易混区，既面临着颗粒堆积引发流动紊乱导致分选指标波动，又在长期磨损下形成了难定量粗糙壁面。这使得螺旋溜槽壁面粗糙度方面的理论与影响机制未被充分认识，导致现有工艺参数难以匹配实际工况的时变特征。来自东北大学资源与土木工程学院的高淑玲特聘研究员及其团队在 Minerals 期刊发表了文章，系统揭示中部区域壁面粗糙度对螺旋溜槽矿浆流动特性和颗粒运动迁移的影响及二者的内在关联，以便为调控壁面粗糙度、优化分选指标提供依据。

研究过程与结果

本文整体研究过程如图1所示，以实验室立方抛物线型螺旋溜槽为试验设备，赤铁矿-石英矿浆体系为研究对象。首先测量了螺旋溜槽的壁面粗糙度，随后开展了物理分选试验 (图2所示) 以及数值模拟试验，最后研究了中部区域壁面粗糙度对赤铁矿-石英-水组成矿浆流场演变及颗粒分离行为的影响，探讨适宜的壁面粗糙度条件。

图1. 论文图形摘要

基于实验室物理分选试验的工况条件及结果，作者采用Eulerian Multi-fluid VOF多相流模型、RNG k-ε湍流模型及修正壁面对数律的壁面粗糙度经验模型，对赤铁矿-石英矿浆体系进行了等效壁面粗糙度模拟试验，建立了螺旋溜槽内实际表面粗糙度 (Ra) 与数值等效砂粒粗糙度高度 (KS) 之间的关系。

图2. 螺旋溜槽分选试验系统：(a) 实物图；(b) 设备形象联系图

在等效壁面粗糙度试验结果的基础上，调整中部区域壁面粗糙度系统考察矿浆的铺展深度和二次环流的空间分布、平均速度及径向通量的演变特性。不同圈数槽面内二次环流的空间分布云图 (图3所示) 表明，增大中部壁面粗糙度，初始阶段内环流的分布空间显著缩小，内环流在槽面内缘及中部区域的流层厚度变小，流膜上层外环流分布范围扩大。本文进一步考察了赤铁矿及石英的径向迁移行为和分布特性，并对赤铁矿－石英的分离指标进行了预测评估。在第3圈末槽面调整滑块位置获得相应的精矿产物，并分别统计对应的精矿产率、铁品位和铁回收率 (图4所示)。随着中部壁面粗糙度的增大，相应的精矿最高铁品位降低，滑块位置外移，精矿产率及铁回收率均降低。

图3. 中部区域壁面粗糙度调整时不同圈末槽面中二次环流的空间分布云图：(a) 第0.5圈；(b) 第1圈；(c) 第1.5圈；(d) 第2圈；(e) 第2.5圈；(f) 第3圈

图4. 中部区域壁面粗糙度调整下精矿产物指标随滑块位置变化：(a) 精矿产率；(b) 铁品位；(c) 铁回收率

研究总结

本文通过壁面粗糙度实测结果对数值模拟过程的粗糙度高度设置进行优化，在此基础上借助于数值模拟研究了槽面中部壁面粗糙度对赤铁矿-石英-水组成的矿浆流场演变及颗粒分离行为的影响。建立了螺旋溜槽内实际表面粗糙度 (Ra) 与数值等效砂粒粗糙度高度 (KS) 之间的关系。获得了中部区域壁面粗糙度对赤铁矿-石英矿浆中流体力学参数分布及演化，颗粒的径向迁移行为和空间分布特征的影响规律。确定了适于不同粒度颗粒取得较好分选指标的适宜粗糙度初始值和控制范围。研究结果为对螺旋溜槽的槽面材料选择、表面结构设计和生产过程调控提供了理论依据。

原文出自 Minerals期刊：https://www.mdpi.com/3193696

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/minerals

Minerals 期刊介绍

主编：Leonid Dubrovinsky, University Bayreuth, Germany

期刊研究范围涵盖矿物学、矿物地球化学和年代学、经济矿物资源、矿物勘探、创新的采矿技术以及矿物加工等广泛领域。期刊现已被 SCIE、Scopus 等数据库收录。

2023 Impact Factor：2.2

2023 CiteScore：4.1

Time to First Decision：18 Days

Acceptance to Publication：2.5 Days