泡沫浮选作为细粒矿物分选方法,在选矿作业中占有重要位置。浮选设备作为浮选过程的载体,直接影响到浮选的效果,因此对于浮选设备的开发和应用一直是浮游选矿的重点研究对象。现有浮选设备主要包括机械搅拌式浮选机、喷射式浮选机、浮选柱等。浮选设备的气泡生成装置和搅拌装置作为设备工作过程中供气和混合矿浆的核心部件,在使用的过程中都具有特点,也暴露出不足。本文结合现有浮选设备的供气机构和搅拌装置的优缺点,设计一种环空射流吸气搅拌装置,利用环空淹没射流冲击的方式进行吸气的同时驱动叶轮旋转,实现有效利用淹没射流损失的能量的同时得到充足的吸气量、合理气泡分布体系和叶轮搅拌速度,从而获得利于矿化浮选的三相流场。为达到设计目的,本文把研究重点放在了喷头与叶轮在淹没状态下的配合以及气泡生成机理上。通过结合CFD数值模拟、高速动态摄像技术、压力传感器和扭矩传感器等先进测试技术以及试验对比验证的方法,对本装置工作过程中喷头环空射流吸气,淹没射流,射流冲击以及叶轮旋转搅拌等4个连续工作阶段内涉及的机械结构优化和气泡生成过程进行了研究,主要研究内容和结论如下:1.以气液两相流为介质,采用F1uent软件模拟结合试验验证的方法,研究了淹没射流状态下环空射流喷头内的能量耗散特性以及吸气特性。从流场分布、湍流能量耗散、涡量变化等角度分析了不同参数对喷头吸气量和气液比的影响。结论表明:不同入流压强下低管径比对气液比存在高可控性;不同管径比下高引射流入流压强对气液比存在高可控性,长管嘴距下气液比的增量要小于短管嘴距条件下的气液比,但长管嘴距条件下气液比却有较大的值;这些特性与不同入流压强时引射流与槽内水的压差以及不同管径比和管嘴距时入射流对喷嘴的封闭作用有关。2.借助扩散硅压力传感器测试系统,分析了有、无吸气和不同气液比状态下淹没射流对冲击压力的影响,结果表明:由于气泡的存在,浮射流冲击力大于淹没射流冲击力,且冲击力的差值随着气液比的上升逐渐缩小。分析了不同工况下气液两相浮射流流速和冲击压强的衰减过程,结果表明:浮射流在较低的入流压强、管嘴距和管径比条件下冲击压强轴向衰减过程接近线性,在较高的工况下遵循幂函数变化规律,而在水束同截面径向方向上遵循正态分布规律。无论是轴向流动遵循幂函数变化规律还是径向流动遵循正态分布规律,流速都存在由缓慢衰减到快速变化的突变结合点,从而作为我们选取叶轮长宽比以及喷头与叶轮作用间距的选取依据。同时试验还表明:由于受到浮力的作用,射流水束在远离喷头出流口的地方出现轴向射流向液面偏离的现象,这种偏离现象在较高的入流压强、管嘴距和管径比时有所减缓。建立动态扭矩传感器测试系统,研究不同叶片长宽比扭矩变化情况。结合理论分析,选取最佳叶片长宽比,通过不同的喷头数与叶片数配合进行速度测试试验,选取最佳的叶片数量和喷头数量,这也为喷头与叶片的选取提供一种研究方法。3.分析了淹没射流段、射流冲击段、旋转搅拌段三个阶段气泡的大小和粒径分布,结果表明:淹没射流阶段,随着入流压强的增大,气泡的Sauter直径逐渐减小;粒径的分布上中间粒径和大粒径气泡的含量逐渐降低,气泡的粒径集中度越高,气泡粒径分布越均匀。同样,随着管径比和管嘴距的提高,气泡Sauter直径逐渐减小,粒径的分布上中间颗粒的含量却逐渐升高,气泡直径分布极差较小。相较于淹没射流段,射流冲击段的气泡与淹没射流段有相似的气泡变化规律,但气泡Sauter直径小于淹没射流段,中间颗粒的含量在相同的工况下含量更高。旋转搅拌段相同工况下Sauter直径未发生较大改变,但中间颗粒的含量相较于淹没射流段和射流冲击段更高,这主要是由于射流冲击段和旋转搅拌段对大粒径颗粒的分割效果较淹没射流段更加明显。根据不同变量参数下湍动能k和湍流耗散率ε对气泡大小和分布的影响,引入湍动能和湍流耗散率为"媒介变量"来解释和调控本装置的气泡生成机理。4.对气泡生成机理进行综合评价,试验表明:起泡剂的加入对气泡表面进行包裹,使得气泡表面张力降低,气泡体系稳定性增强,因此降低了不同变量参数对气泡粒径的调节可控范围。分析了环空射流吸气搅拌装置、射流吸气装置、旋转搅拌装置三种装置对气泡大小和分布的影响,结果表明,在气泡粒径分布上本装置气泡分布均匀性好于喷射吸气装置,与旋转搅拌装置相近,但在气泡的粒径上要比喷射吸气装置和旋转搅拌装置都要小。