基于CFD-DEM耦合的颗粒在螺旋溜槽中的运动行为模拟研究中文摘要

随着计算机技术和数值算法的不断发展，通过数值模拟手段研究矿物分选过程逐渐成为矿物加工领域的重要研究方向。本研究应用计算流体力学（CFD）和离散元（DEM）耦合的数值模拟方法，从微观角度对颗粒在螺旋溜槽中的运动行为进行模拟研究，探讨其在螺旋溜槽分选空间的运动规律及其影响因素，建立螺旋溜槽分选数值模型，并通过颗粒分离试验结果对分选数值模型进行验证，在此基础上借助于数值模拟二次开发对模拟过程及分选数值模型进行优化控制，以提高模拟研究的可靠性和精确度。本研究旨在推进矿物分选从以常规条件试验研究为主向以数值试验研究为主甚至虚拟现实转变，改变某些变量对分选过程的影响仅限于定性分析的状况，为对其进行定量描述创造条件。研究将围绕螺旋溜槽流场数值模拟、颗粒运动行为数值模拟及分选数值模型的验证与优化逐步展开，着重探讨不同变量对颗粒运动行为的协同作用，为更好地发挥复合力场分选的独特优势奠定基础。

本项目首先采用k-ε湍流模型和VOF多相流模型对螺旋溜槽流场进行数值模拟，查明了其流场分布特征以及螺距和给矿流量对流场参数的影响，继而在流场模拟的基础上，通过离散相耦合等方法模拟了固体颗粒在螺旋溜槽中的运动行为，并探讨了螺距、给矿条件和颗粒性质对颗粒分选行为的影响规律。为了检验数值模拟结果的可靠性和精确度，借助于流场实测结果和纯矿物分离结果对数值模拟结果进行验证。研究结果表明，螺旋溜槽中的水相流速呈明显的条带状分布，其速度值沿槽深方向逐渐升高；湍动能在径向上以类似于椭圆环状分布，外缘的紊流度从上至下逐渐升高；在相同的流场条件下，颗粒运动速度极值与其密度大小呈负相关；螺距增大后，水层厚度不变，而水相流速和湍动能相应增加，颗粒运动速度也明显增加，有利于加速粒群的分带和分选；给矿流量对水层厚度、流速和湍动能的大小均具有明显影响，但对它们的分布特征影响较小，而颗粒运动的随机性与该因素呈正相关，即流量增大会导致粒群分带延迟，不利于分选；数值模拟不仅可以准确描述参数的定性影响规律，还可以获得定量的产率指标，且预测指标与实际指标吻合良好，因此数值模拟手段具有很高的可靠性和精确性。项目研究结果为深入开展矿物分选数值试验奠定了良好基础，为进一步降低选矿试验成本和研发周期创造了有利条件。另外，结合项目实施所形成的研究策略、流场测速系统等也为相似研究提供了参考。迄今，在学术期刊和国际学术会议上发表学术论文8篇。 2100433B

与标准微带一样，由于耦合微带线中的介质是由基片和空气构成的混合介质，故耦合微带线中不存在纯的TEM波，但因其纵向电场分量很小，可以看成准TEM波，即耦合微带线传输波的主模是准TEM波。

隧道工程是复杂地质系统中的工程，多场耦合问题是地质系统中普遍存在的前沿课题，尤其是在水下隧道和寒区隧道工程中。多场耦合分析已成为隧道工程的重要分析方法，全书以具体工程事例为对象，重点介绍多场耦合分析在隧道工程的应用问题。全书共分为三篇：第一篇介绍了隧道工程中耦合问题的发展与现状以及多场耦合分析的理论基础；第二篇介绍了越江、海等水下隧道中的水压问题、液固双场耦合分析及水下盾构隧道的施工控制问题等；第三篇介绍了寒区隧道中的冻害问题、热液固多场耦合分析以及在寒区隧道抗防冻方面的应用等。

《多场耦合分析在隧道工程中的应用》可供从事隧道建设的科技人员使用，也可作为高等院校隧道及相关专业师生的参考书。

本课题按时完成了项目申请书/计划书拟定的各项任务计划，整体完成情况良好，成果显著。 本课题提出了建筑中人行为模拟研究的总体技术框架，建立了人员移动模型和控制动作模型，开发了相关的人行为模拟软件。基于该模型提出一套人行为调查测试方法，初步建立起人行为信息数据库。尝试将人行为模型应用于实际工程问题分析。依托人行为研究，还展开了丰富的国际合作。本课题的主要成果包括： 1.明确了人行为模拟研究的范畴与技术路线，这部分工作是本课题全部研究内容的基础指导框架，研究结果表明，这一框架在实践中是十分有效的。 2.建立了人员移动模型和控制动作模型，它们综合了既有文献中各类人行为模型的优点，能有效反映人行为的真实特征，并且参数意义简单直观。 3.提出了人行为与建筑能耗计算软件的集成模拟方法，目前已完成人员移动模拟软件的开发。 4.提出了人行为模式的分类量表，完成了大量案例测试和问卷调研，建立起人行为信息数据库。 5.围绕人行为研究展开了大量的国际合作，研究方法和技术路线得到国内外学术界的广泛关注与充分肯定。 以上工作为后续深入研究奠定了良好基础。本项目成果显著，依托本项目已在建筑科学和建筑模拟领域国际SCI期刊论文2篇，国内核心期刊2篇，在国际会议上宣讲论文3篇，在国内会议上宣讲论文2篇。其中有2篇论文分别获得该SCI期刊2011和2012年度最佳论文，1篇论文获得2012年全国暖通空调制冷年会青年优秀论文。另外，登记软件著作权1项。 在本课题研究工作的基础上，燕达副教授作为发起人和主持人，成功申请到IEA/EBC Annex 66国际合作项目“Definition and Simulation of Occupant Behavior in Buildings”，不仅扩大了国际影响力，也保证了相关研究的持续进行。 2100433B