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浮选发生在气-液-固三相流动体系中,疏水性强的颗粒易与气泡发生碰撞黏附,而后升浮,实现与脉石矿物的分离。微细颗粒由于质量小、惯性低,和气泡难以发生碰撞,浮选回收极为困难,高强度湍流可以提高微细颗粒与气泡的碰撞概率,因此广泛应用于微细颗粒浮选设备中。课题组设计了不同型式结构的涡流发生器（Vortex Generator,VG）添加于管流段,诱导产生不同结构和大小的微尺度旋涡,以增强湍流环境,增大细粒级矿物颗粒与气泡的碰撞概率,在不增加功耗的前提下有效提高了细粒级特别是微细粒级矿物的分选效率。此前的研究聚焦于矿粒在湍流下的运动及碰撞研究,而气泡的尺寸及分布,对矿化过程影响极大,不可忽视。本文旨在探明涡流矿化管内部流场对气泡行为的影响,以内部安装有不同涡诱导型式结构的矿化管作为研究对象,使用高速动态摄像技术、计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）技术、粒子激光测速技术（Particle Image Velocity,PIV）等手段,对管内气泡尺寸及分布和气泡破碎机理开展了研究。主要研究内容及成果包括以下几个方面:搭建了可对涡流矿化管输出气泡群进行研究的实验测量平台,通过预实验验证了实验方法的准确性,利用高速摄像技术实现了光管、三角形、梯形、椭圆形、矩形五种VG结构的管内气泡尺寸及分布的测量,循环工况分别为0.21m~3/h、0.28m~3/h、0.35m~3/h、0.42m~3/h、0.49m~3/h、0.56m~3/h。探明了不同结构、不同流量对涡流矿化管内气泡尺寸及分布的影响规律。同一流量,特别低流量的情况下,不同结构的矿化管内气泡尺寸存在差异,其中矩形VG管中气泡尺寸在各个流量下与其他管段相比均为最小,以0.21m~3/h循环量为例,分别低于光管、三角形、梯形、椭圆形64.37%、58.35%、56.69%、31.07%;同一结构,随着流量上升,气泡尺寸减小,且不同结构矿化管内气泡尺寸的差距有减小的趋势。矩形、椭圆形VG管在增加尺寸小于500μm的小气泡比例方面具有优势,相比光管分别增加了9.31%、8.47%。减小气泡尺寸的性能按高低排序为矩形、椭圆形、梯形、三角形及光管,性能表现与现有浮选数据相符。基于CFD-PBM（Population Balance Module）耦合数值模型开展了:循环流量为0.21m~3/h,进气流量为1L/min下,三角形、梯形、椭圆形、矩形、光管五种结构矿化管内的气液流数值研究;循环流量为0.21m~3/h、0.28m~3/h、0.35m~3/h、0.42m~3/h、0.49m~3/h、0.56m~3/h,进气流量为1L/min下,梯形VG管内的气液流数值研究。获取了考虑气泡聚并及破碎过程的两相湍流场特征,与实验数据结合分析,表明流场中湍动能、湍流耗散率、剪切率、涡量的增加和最小涡尺度的减小,均对气泡破碎起促进作用,以各参数为指标可预测流场对气泡尺寸的影响规律。（1）不同结构下,矩形结构平均湍动能为0.013m~2/s~2,分别高于光管、三角形、梯形、椭圆形（下同）186.22%、110.19%、72.46%、18.34%;平均湍流耗散率为2.84m~2/s~3,分别高于其余四种结构437.23%、118.72%、64.41%、44.94%。该结构平均涡量最大为3.22×10~3s-1,分别高于三角形、梯形、椭圆形106.66%、21.46%、23.96%。且剪切作用最明显,平均剪切率为414.70,分别高于其余四种结构156.39%、18.99%、18.16%、3.63%。该结构流场内最小涡尺度相比其他结构最小,为24.45μm,说明小尺度涡作用强且动能高,气泡-涡旋碰撞概率高,气泡破碎概率得到增加。五种结构减小气泡尺寸的性能从弱到强排序为光管、三角形、梯形、椭圆形、矩形,与实验数据规律一致。（2）不同流量下,最高流量0.56m~3/h占有明显优势。该工况平均湍动能、湍流耗散率、涡量、剪切率数值上均最高,分别为0.05m~2/s~2、40.66m~2/s~3、1.58×10~3s-1、739.26,且相比其他工况的数据各参数的增长率高,以0.49m~3/h工况为例,各参数增长率分别为29.94%、83.96%、58.70%、18.20%。最小涡尺度相比其他流量最小,为12.57μm,流场内小尺度涡作用强烈。减小气泡尺寸的性能从弱到强排序即流量从低到高,与实验数据规律一致。机理层面,搭建了研究湍流涡作用下气泡破碎过程的可视化实验平台,基于LES（Large Eddy Simulation）-VOF（Volume of fluid）模型开展了相同条件下的单气泡破碎过程数值模拟。研究结果表明涡流矿化管内气泡破碎机理为湍流脉动及涡体的碰撞、黏性剪切和涡流发生器尖锐的边缘三个因素共同作用。本课题针对涡流矿化管内流场对气泡尺寸及分布的研究,为矿化管结构优化、运行参数设置提供新参考,对浮选回收率的提高有积极意义;揭示了矿化管内气泡破裂的机理,为浮选领域的气泡动力学研究提供了新参考。该论文有图49幅,表15个,参考文献105篇。