基于PIV技術的細觀礦堆溶液滲流場無擾動測試

尹升華，陳勛，吳愛祥，王雷鳴，劉超

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基于PIV技術的細觀礦堆溶液滲流場無擾動測試

尹升華1, 2，陳勛1, 2，吳愛祥1, 2，王雷鳴2，劉超2

(1. 北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京，100083；2. 北京科技大學土木與環境工程學院，北京，100083)

建立由理想顆粒和真實礦石構成的細觀礦堆物理模型，通過分散式布液結構，開展多種噴淋強度條件下細觀礦堆的溶液滲流實驗，采用粒子成像測速(PIV)技術無擾動地實測礦石顆粒間溶液滲流場。通過測試獲取溶液質點瞬時位移圖像，應用互相關算法處理，得到細觀礦堆內溶液流速矢量分布情況。研究結果表明：細觀礦堆溶液滲流場分布具有明顯的不均勻性，受孔隙結構影響礦堆內存在優先滲流通道；不同噴淋強度下細觀礦堆溶液滲流場分布趨勢相似，溶液最大流速隨噴淋強度增大而增大；礦堆孔隙結構及礦石顆粒特征是影響滲流場內溶液流速分布的主要因素。

粒子成像測速；礦堆；滲流場；優先流

堆浸技術因其能經濟回收低品位礦石且具有設計簡單、投產期短、處理量大等優點，而在銅、金、鎳、鈾等低品位礦石處理方面得到廣泛應用，但在實際生產中存在著礦石浸出率低和礦物浸出速度慢等問題，這成為制約堆浸技術進一步發展的瓶頸[1?3]。溶液在礦堆內滲透性差是導致礦石浸出率低、浸出速度慢的重要原因，礦堆內溶液的有效滲透是實現有用礦物高效浸出的前提[4?5]。因此，礦堆內部滲流規律的研究對堆浸技術具有重要意義。長期以來，由于技術手段和分析方法的缺乏，堆浸體系內溶液滲流的研究多將礦堆視為“黑箱”進行處理，局限于對礦石顆粒性質與滲透率、滲透效果之間關系的研究[6]。近年來，隨著測試技術的發展，國內外一些學者[7?9]利用X-ray CT或MRI技術對礦堆內溶液分布及細觀滲流規律進行研究。Yang等[10]利用X-ray CT技術采集礦巖散體圖像，結合數字圖像處理技術和有限元技術構建了表征介質真實孔隙結構的三維物理模型，并利用此模型進行了礦石顆粒間細觀滲流的三維數值模擬。Videla 等[11]將X-ray CT技術與lattice-Boltzmann模型相結合，對石灰巖顆粒間的飽和滲流進行模擬，得到了顆粒堆內不同區域溶液流速矢量分布。Fagan等[12?13]針對非飽和浸出過程，利用MRI技術獲取了礦堆截面無損圖像，探究了孔隙內氣液相位分布情況。但上述研究均未能實現礦堆細觀滲流場分布規律的直觀可視化表征。PIV技術是一種非接觸式無擾動流場測試技術，其測試過程中不會對流場內溶液的流動特性產生影響，已在流場測試領域取得較廣泛應用。Jasiński[14]利用PIV技術對含擾流器的圓管內流場分布進行研究，測試結果與數值模擬具有很好一致性。Huang 等[15?16]通過PIV技術對多孔介質內部流場進行測試，得到了流場內速度矢量分布規律。本文作者利用PIV技術對細觀礦堆溶液滲流場進行無擾動測試，結合圖像處理軟件，分析礦堆內溶液滲流規律。

1 實驗

1.1 實驗模型

分別建立由理想顆粒和真實礦石構成的細觀礦堆物理模型，其與分散式布液結構共同組成實驗模型，如圖1所示。圖1(a)所示為理想模型，圖1(b)所示為真實模型，分別用于進行理想礦堆的溶液滲流實驗和真實礦堆的溶液滲流實驗。實驗模型尺寸參數如圖1所示，理想模型中細觀礦堆模型長為100 mm，寬為30 mm，高為140 mm，真實模型中細觀礦堆模型長為140 mm，寬為30 mm，高為140 mm。

單位：mm

本次實驗設計的分散式布液結構內部裝滿細小有機玻璃柱，可實現礦堆上部均勻布液，有效模擬實際生產中礦堆內溶液在局部孔隙空間之間的流動，消除了上、下邊界對礦堆內溶液滲流產生的影響。

1.2 實驗原理

利用細觀礦堆物理模型，通過分散式布液結構，開展多種噴淋強度條件下細觀礦堆的溶液滲流實驗，應用粒子成像測速技術(PIV)無擾動地實測礦石顆粒間溶液滲流場。PIV技術是一種基于流場圖像分析的非接觸式無擾動流場測試技術[17?18]。其基本原理如圖2所示，即在流場中均勻散播跟隨性強、反光性好且密度與溶液密度相等的示蹤粒子，由脈沖激光器發出的激光通過片光源鏡頭組擴展為一個很薄的片光，以很短的脈沖間隔照亮待測流場區域2次，2次照射分別被跨幀CCD相機記錄下流場層片中流動粒子的圖像，然后把圖像數字化送入計算機，記錄下來的圖像被劃分成許多小的診斷窗口，在2次激光脈沖發射的時間間隔內，通過2個診斷窗口之間基于快速傅里葉變換的互相關運算實現顆粒在診斷區域中位移的計算。由所有診斷窗口的位移矢量，得到完整的瞬時速度分布圖。PIV技術根據示蹤粒子位移推斷溶液流速，所使用的示蹤粒子為完全跟隨溶液運動、對溶液特性無影響及粒子之間無相互作用的理想顆粒[19]。

圖2 PIV原理示意圖

對于理想示蹤顆粒，其在流場中的速度等于其所在位置溶液質點的流速。示蹤粒子在流場中運動，其在激光片光區和2個方向上的位移隨時間的變化為()和()，是關于時間的連續函數，則其所在位置溶液質點的流速可用下式表示。

式中：v和v分別為和2個方向溶液流速；Δ為激光脈沖時間間隔；和分別為和方向上2個位移點間平均速度。

由式(1)可知：PIV技術是將激光脈沖時間間隔Δ內平均速度作為時刻的瞬時速度，因此Δ應盡量小。而測量位移要求圖像平面上粒子不能重疊，且滿足位移和分辨率要求，所以，Δ又不能太小。因此，脈沖激光時間間隔應根據溶液流速合理選定。

1.3 實驗步驟

本次實驗采用的實驗裝置主要由實驗模型、PIV系統、皮管、流量計、水箱、支架等部分組成。其中PIV系統主要由Nd:YAG雙脈沖式激光器、型號為MircoPulse71的同步控制器、Redlake Megapluse II ES2001型PIV專用CCD相機、觸發器及Micro Vec軟件系統組成。實驗所用示蹤粒子為TSI公司生產的空心玻璃珠。

針對理想模型及真實模型，進行多種噴淋強度條件下細觀礦堆溶液滲流場無擾動測試，具體步驟為：

1) 將實驗裝置各組成部分裝配完成，測試各組件連接情況，然后進行系統的整體運行測試，調整CCD相機、實驗模型、片光源之間的相對位置，使相機能夠清晰捕捉到實驗模型內溶液滲流圖像。

2) 對理想礦堆模型依次進行噴淋強度為0.10，0.20和0.30 L/min的滲流實驗，通過PIV系統獲取各噴淋強度下理想礦堆模型內溶液質點瞬時位移圖像并由計算機存儲，記錄圖像序列及兩幀圖像時間間隔。

3)對真實礦堆模型依次進行噴淋強度為0.10，0.15，0.20，0.25和0.30 L/min的滲流實驗，通過PIV系統獲取各噴淋強度下真實礦堆模型內溶液質點瞬時位移圖像并由計算機存儲，記錄圖像序列及兩幀圖像時間間隔。

4) 理想礦堆和真實礦堆的溶液滲流實驗均完成后，利用Micro Vec軟件及Tecplot軟件對獲取的理想礦堆溶液質點瞬時位移圖像和真實礦堆溶液質點瞬時位移圖像進行處理。

2 結果及分析

2.1 理想礦堆內溶液滲流場分布特征

將獲取的理想礦堆模型內溶液質點瞬時位移圖像導入Micro Vec軟件，采用互相關算法進行處理，得到不同噴淋強度條件下理想模型內溶液速度矢量分布。如圖3所示，圖3中箭頭方向代表溶液速度的方向，箭頭大小表示速度的快慢。圖3表明理想礦堆細觀滲流場內溶液流速呈不均勻分布，理想礦堆內溶液可分為優先流溶液及緩流溶液2部分。

噴淋強度/(L?min?1): (a) 0.10；(b) 0.20；(c) 0.30

由圖3可以看出：在理想礦堆模型上部溶液為紊流狀態且有明顯的渦流存在，各溶液質點間流速差異顯著。這主要是由于入滲溶液與礦石顆粒發生碰撞，導致溶液質點流向的急劇改變并伴隨質點間的動量交換和轉移，進而引起流場畸變產生渦流[20]。在流場畸變作用下，多個質點結合形成微團并可進行較長距離的運移，且在質點微團運移過程中與沿程質點間進行動量交換，從而進一步擴大流場畸變范圍，導致渦流強度及范圍的增加。當模型上部紊流溶液流經理想礦石顆粒Ⅰ和Ⅱ之間的孔隙及礦石顆粒與模型邊界間區域時，礦石顆粒間孔隙結構對溶液流向產生限制作用，且不同流向溶液間相互碰撞。經過溶液質點間動量的合成與分解，最終使其速度方向與流場方向達到一致，形成沿縱向礦石孔隙流動的優先流。這表明礦石孔隙結構對礦堆內溶液流動具有導向作用。

圖3表明，在理想礦堆內緩流溶液主要分為2部分：一是在礦石顆粒表面由于界面張力等作用而形成的流動性較差的吸附液層，吸附液層在重力作用及優先流的拖曳作用下，沿礦石顆粒表面緩慢流動，Mousavi等[21]研究發現在礦石顆粒表面吸附液層與優先流溶液之間存在微小漩渦。二是位于沿溶液流向的礦石顆粒之間及礦石下部由于毛細作用及礦石阻礙所形成的緩流區，且因礦堆內優先流溶液與緩流區溶液間存在速度差異及黏滯作用，優先流溶液對緩流區溶液產生拖曳，致使在緩流區內溶液發生擾動并形成漩渦，Masuoka等[20]稱這類渦流為間隙渦流。

在理想礦堆內縱坐標為=35 mm，=95 mm和=115 mm這3個截面上各取20個點，分別計算不同噴淋強度下各點速度，點的位置以模型軸中心線為對稱軸對稱分布。使用Tecplot軟件進行數據提取，得到不同噴淋強度下理想礦堆內溶液速度特征，如表1所示。并繪制圖4所示不同噴淋強度下各截面流速分布曲線圖。

表1 不同噴淋強度下理想模型滲流場特性

Y/mm: (a) 35; (b) 95; (c) 115

由圖4(a)和4(b)可見：理想礦堆內=35 mm及=95 mm截面上溶液流速在不同噴淋強度下的分布趨勢基本相似，溶液流速隨噴淋強度的增加而增大。圖4(c)顯示=115 mm截面上溶液質點間流速差異性大的分布特征保持不變，各點間流速差異隨噴淋強度的增大而更加顯著，表明隨著噴淋強度的增大，溶液紊流強度增加。這是由于隨著噴淋強度增加，致使各溶液質點間的碰撞與動量交換更加激烈，從而引起紊流強度和渦流范圍的增加。由表1也可看出：礦堆溶液最大流速隨噴淋強度的增大而增大。因此，理想礦堆內溶液滲流場分布主要受到礦堆孔隙結構的影響，礦堆內溶液流速隨噴淋強度的增加呈增大趨勢，噴淋強度的增大也會對溶液流態產生影響。

2.2 真實礦堆孔隙內滲流場分布規律

將獲取的真實礦堆模型溶液質點瞬時位移圖像導入Micro Vec軟件，采用互相關算法進行處理，得到不同噴淋強度下真實礦堆模型內溶液速度矢量分布，如圖5所示。由圖5可見：真實礦堆溶液滲流場分布極不均勻，礦堆內溶液可分為優先流溶液、緩流溶液和不動溶液3部分，其中礦堆孔隙空間內溶液優先滲流路徑如圖5(c)所示，不動溶液主要存在于礦堆內死端孔隙中，緩流溶液位于優先流與礦石顆粒或不動溶液之間。

真實礦堆模型內右側入滲溶液與礦石顆粒發生碰撞，溶液質點間進行動量交換，導致溶液速度及流動方向發生改變，受礦石形狀及孔隙的影響大部分溶液進入左側孔隙空間，與左側入滲溶液發生碰撞，并在重力及黏滯作用下形成圖5(c)所示的優先流。在速度差異及黏滯作用下優先流對相鄰溶液產生拖曳，使得優先流相鄰溶液緩慢流動形成緩流區。由于礦石顆粒的阻礙及孔隙的影響，導致在真實礦堆模型內= 120 mm與=140 mm之間區域內溶液與外部溶液缺乏有效的動量交換，使得該區域內部溶液流動性較差。

由圖5還可以看出：溶液可在相互貫通的孔隙空間內流動，而在礦堆中死端孔隙內部流動性極差，為不動溶液。礦堆中死端孔隙內部不動溶液與優先流間存在渦流區域，這是由于優先流溶液流經死端孔隙區域時對其中溶液產生沖擊和拖曳作用，使死端孔隙中處于外側的溶液發生擾動，伴隨溶液質點間的動量交換，逐步擴大擾動范圍形成局部渦流。圖5顯示尺寸較大的死端孔隙與優先滲流間渦流強度較大，尺寸較小的死端孔隙與優先滲流間渦流強度較小，是由于死端孔隙與優先流接觸面積控制著溶液間動量交換程度，因而死端孔隙影響著死端孔隙內不動溶液與優先流溶液間渦流的強度。

將理想模型溶液滲流場分布與真實模型溶液滲流場分布進行對比，可知礦石形狀對礦堆內溶液滲流有重要影響。當溶液與礦石顆粒發生碰撞時，礦石形狀控制著碰撞后溶液的流動方向，由此對礦石顆粒周圍溶液滲流場分布產生影響。同時礦石顆粒形狀也影響著礦堆內孔隙結構的形狀及大小。

使用Tecplot軟件對原始數據進行提取，計算各噴淋強度下圖5(c)所示，，，和5點的溶液流速，得到各點溶液流速與噴淋強度間的關系。圖6所示為不同噴淋強度下優先流沿程速度變化規律，圖7所示為優先滲流路徑上各點流速隨噴淋強度變化情況。由圖5可知不同噴淋強度下真實礦堆滲流場分布趨勢相似，圖6表明不同噴淋強度下優先流沿程流速變化規律基本一致。由圖7可知滲流場內溶液流速隨噴淋強度的增加而增大。

噴淋強度/(L?min?1): (a) 0.10; (b) 0.15; (c) 0.20; (d) 0.25; (e) 0.30

噴淋強度/(L?min?1): 1—0.10; 2—0.15; 3—0.20; 4—0.25;

1—A點；2—B點；3—C點；4—D點；5—E點

由上述分析可知：礦堆內部溶液滲流場分布規律主要受礦堆孔隙結構及礦石顆粒特征的影響，噴淋強度對礦堆內溶液滲流的影響主要表現在對局部流態及流速的改變方面。Kartha等[22]研究表明礦堆內溶質運移主要發生在緩流溶液與優先流溶液之間及緩流溶液與不動溶液之間。而溶浸劑有效運至礦石，浸出金屬離子能夠快速運出礦堆，是浸出成敗的關鍵。因此，對礦堆孔隙結構及入堆礦石顆粒特征進行調控，是改善礦石浸出效果的有效手段。

3 結論

1) 利用所構建的細觀礦堆物理模型，通過分散式布液結構，開展了多種噴淋強度條件下細觀礦堆的溶液滲流實驗，采用粒子成像測速(PIV)技術有效測定了細觀礦堆溶液滲流場分布規律。

2) 細觀礦堆溶液滲流場分布具有明顯的不均勻性，礦堆內部不同區域溶液間流速差異顯著。

3) 不同噴淋強度下礦堆細觀滲流場分布規律相似。噴淋強度主要對溶液流速及流態產生影響，礦堆內溶液最大流速隨噴淋強度的增加而增大。

4) 礦石顆粒特征及礦堆孔隙結構是影響礦堆細觀滲流場分布規律的主要因素，調節入堆礦石粒徑分布及形狀是改善滲流效果、縮短浸出時間、提高金屬浸出率的有效手段。

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Undisturbed test on mesoscopic solution seepage field in ore heap based on PIV

YIN Shenghua1, 2, CHEN Xun1, 2, WU Aixiang1, 2, WANG Leiming2, LIU Chao2

(1. Key Laboratory of High-Efficient Mining and Satiety of Metal, Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2. School of Civil and Environment Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

The mesoscopic physical models of ore heap by the ideal particles and ore particles were established. Through a novel liquid distribution structure, the mesoscopic solution seepage experiment of ore heap under the various spray intensity was carried out, and particle image velocimetry (PIV) was used to test the inter particle solution seepage field. The instantaneous displacement images of tracer particles were obtained, the images were processed by cross-correlation algorithms, and the velocity vector distribution of solution in mesoscopic ore heap was obtained. The result shows that the distribution of meso-seepage field of ore heap is characterized by heterogeneity, and pore structure caused by the preferential flow path appears. The velocity distribution under different spray intensities is similar, and there is a positive correlation between the maximum velocity of seepage field and the intensity of spray. The pore structure of ore heap and characteristics of ore particle are the key factors that influence the velocity distribution of seepage field.

particle image velocimetry; ore heap; seepage field; preferential flow

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.07.029

TD853

A

1672?7207(2015)07?2597?08

2014?07?15；

2014?09?17

國家自然科學基金資助項目(51374035)；新世紀優秀人才支持計劃項目(NCET-13-0669)；全國優秀博士學位論文作者專項資金資助項目(201351) (Project(51374035) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(NCET-13-0669) supported by Program for New Century Excellent Talents in University; Project (201351) supported by the Foundation for the Author of National Excellent Doctoral Dissertation of China)

尹升華，博士，教授，從事溶浸采礦、膏體充填等研究；E-mail: csuysh@126.com

(編輯 楊幼平)