DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.07.029

基于PIV技术的细观矿堆溶液渗流场无扰动测试

尹升华^{1, 2}，陈勋^{1, 2}，吴爱祥^{1, 2}，王雷鸣²，刘超²

(1. 北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京，100083；

2. 北京科技大学 土木与环境工程学院，北京，100083)

摘要：建立由理想颗粒和真实矿石构成的细观矿堆物理模型，通过分散式布液结构，开展多种喷淋强度条件下细观矿堆的溶液渗流实验，采用粒子成像测速(PIV)技术无扰动地实测矿石颗粒间溶液渗流场。通过测试获取溶液质点瞬时位移图像，应用互相关算法处理，得到细观矿堆内溶液流速矢量分布情况。研究结果表明：细观矿堆溶液渗流场分布具有明显的不均匀性，受孔隙结构影响矿堆内存在优先渗流通道；不同喷淋强度下细观矿堆溶液渗流场分布趋势相似，溶液最大流速随喷淋强度增大而增大；矿堆孔隙结构及矿石颗粒特征是影响渗流场内溶液流速分布的主要因素。

关键词：粒子成像测速；矿堆；渗流场；优先流

中图分类号：TD853             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)07-2597-08

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

YIN Shenghua^{1, 2}, CHEN Xun^{1, 2}, WU Aixiang^{1, 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)

Abstract: 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.

Key words: particle image velocimetry; ore heap; seepage field; preferential flow

堆浸技术因其能经济回收低品位矿石且具有设计简单、投产期短、处理量大等优点，而在铜、金、镍、铀等低品位矿石处理方面得到广泛应用，但在实际生产中存在着矿石浸出率低和矿物浸出速度慢等问题，这成为制约堆浸技术进一步发展的瓶颈^[1-3]。溶液在矿堆内渗透性差是导致矿石浸出率低、浸出速度慢的重要原因，矿堆内溶液的有效渗透是实现有用矿物高效浸出的前提^[4-5]。因此，矿堆内部渗流规律的研究对堆浸技术具有重要意义。长期以来，由于技术手段和分析方法的缺乏，堆浸体系内溶液渗流的研究多将矿堆视为“黑箱”进行处理，局限于对矿石颗粒性质与渗透率、渗透效果之间关系的研究^[6]。近年来，随着测试技术的发展，国内外一些学者^[7-9]利用X-ray CT或MRI技术对矿堆内溶液分布及细观渗流规律进行研究。Yang等^[10]利用X-ray CT技术采集矿岩散体图像，结合数字图像处理技术和有限元技术构建了表征介质真实孔隙结构的三维物理模型，并利用此模型进行了矿石颗粒间细观渗流的三维数值模拟。Videla  等^[11]将X-ray CT技术与lattice-Boltzmann模型相结合，对石灰岩颗粒间的饱和渗流进行模拟，得到了颗粒堆内不同区域溶液流速矢量分布。Fagan等^[12-13]针对非饱和浸出过程，利用MRI技术获取了矿堆截面无损图像，探究了孔隙内气液相位分布情况。但上述研究均未能实现矿堆细观渗流场分布规律的直观可视化表征。PIV技术是一种非接触式无扰动流场测试技术，其测试过程中不会对流场内溶液的流动特性产生影响，已在流场测试领域取得较广泛应用。Jasiński^[14]利用PIV技术对含扰流器的圆管内流场分布进行研究，测试结果与数值模拟具有很好一致性。Huang等^[15-16]通过PIV技术对多孔介质内部流场进行测试，得到了流场内速度矢量分布规律。本文作者利用PIV技术对细观矿堆溶液渗流场进行无扰动测试，结合图像处理软件，分析矿堆内溶液渗流规律。

1  实验

1.1  实验模型

分别建立由理想颗粒和真实矿石构成的细观矿堆物理模型，其与分散式布液结构共同组成实验模型，如图1所示。图1(a)所示为理想模型，图1(b)所示为真实模型，分别用于进行理想矿堆的溶液渗流实验和真实矿堆的溶液渗流实验。实验模型尺寸参数如图1所示，理想模型中细观矿堆模型长为100 mm，宽为30 mm，高为140 mm，真实模型中细观矿堆模型长为140 mm，宽为30 mm，高为140 mm。

本次实验设计的分散式布液结构内部装满细小有机玻璃柱，可实现矿堆上部均匀布液，有效模拟实际生产中矿堆内溶液在局部孔隙空间之间的流动，消除了上、下边界对矿堆内溶液渗流产生的影响。

图1  实验模型示意图

Fig. 1  Schematic diagram of experimental model

1.2  实验原理

利用细观矿堆物理模型，通过分散式布液结构，开展多种喷淋强度条件下细观矿堆的溶液渗流实验，应用粒子成像测速技术(PIV)无扰动地实测矿石颗粒间溶液渗流场。PIV技术是一种基于流场图像分析的非接触式无扰动流场测试技术^[17-18]。其基本原理如图2所示，即在流场中均匀散播跟随性强、反光性好且密度与溶液密度相等的示踪粒子，由脉冲激光器发出的激光通过片光源镜头组扩展为一个很薄的片光，以很短的脉冲间隔照亮待测流场区域2次，2次照射分别被跨帧CCD相机记录下流场层片中流动粒子的图像，然后把图像数字化送入计算机，记录下来的图像被划分成许多小的诊断窗口，在2次激光脉冲发射的时间间隔内，通过2个诊断窗口之间基于快速傅里叶变换的互相关运算实现颗粒在诊断区域中位移的计算。由所有诊断窗口的位移矢量，得到完整的瞬时速度分布图。PIV技术根据示踪粒子位移推断溶液流速，所使用的示踪粒子为完全跟随溶液运动、对溶液特性无影响及粒子之间无相互作用的理想颗粒^[19]。

对于理想示踪颗粒，其在流场中的速度等于其所在位置溶液质点的流速。示踪粒子在流场中运动，其在激光片光区X和Y 2个方向上的位移随时间的变化为x(t)和y(t)，是关于时间t的连续函数，则其所在位置溶液质点的流速可用下式表示。

        (1)

式中：v_x和v_y分别为X和Y 2个方向溶液流速；Δt为激光脉冲时间间隔；和分别为X和Y方向上2个位移点间平均速度。

图2  PIV原理示意图

Fig. 2  Schematic diagram of PIV

由式(1)可知：PIV技术是将激光脉冲时间间隔Δt内平均速度作为时刻t的瞬时速度，因此Δt应尽量小。而测量位移要求图像平面上粒子不能重叠，且满足位移和分辨率要求，所以，Δt又不能太小。因此，脉冲激光时间间隔应根据溶液流速合理选定。

1.3  实验步骤

本次实验采用的实验装置主要由实验模型、PIV系统、皮管、流量计、水箱、支架等部分组成。其中PIV系统主要由Nd:YAG双脉冲式激光器、型号为MircoPulse71的同步控制器、Redlake Megapluse II ES2001型PIV专用CCD相机、触发器及Micro Vec软件系统组成。实验所用示踪粒子为TSI公司生产的空心玻璃珠。

针对理想模型及真实模型，进行多种喷淋强度条件下细观矿堆溶液渗流场无扰动测试，具体步骤为：

1) 将实验装置各组成部分装配完成，测试各组件连接情况，然后进行系统的整体运行测试，调整CCD相机、实验模型、片光源之间的相对位置，使相机能够清晰捕捉到实验模型内溶液渗流图像。

2) 对理想矿堆模型依次进行喷淋强度为0.10，0.20和0.30 L/min的渗流实验，通过PIV系统获取各喷淋强度下理想矿堆模型内溶液质点瞬时位移图像并由计算机存储，记录图像序列及两帧图像时间间隔。

3) 对真实矿堆模型依次进行喷淋强度为0.10，0.15，0.20，0.25和0.30 L/min的渗流实验，通过PIV系统获取各喷淋强度下真实矿堆模型内溶液质点瞬时位移图像并由计算机存储，记录图像序列及两帧图像时间间隔。

4) 理想矿堆和真实矿堆的溶液渗流实验均完成后，利用Micro Vec软件及Tecplot软件对获取的理想矿堆溶液质点瞬时位移图像和真实矿堆溶液质点瞬时位移图像进行处理。

2  结果及分析

2.1  理想矿堆内溶液渗流场分布特征

将获取的理想矿堆模型内溶液质点瞬时位移图像导入Micro Vec软件，采用互相关算法进行处理，得到不同喷淋强度条件下理想模型内溶液速度矢量分布。如图3所示，图3中箭头方向代表溶液速度的方向，箭头大小表示速度的快慢。图3表明理想矿堆细观渗流场内溶液流速呈不均匀分布，理想矿堆内溶液可分为优先流溶液及缓流溶液2部分。

由图3可以看出：在理想矿堆模型上部溶液为紊流状态且有明显的涡流存在，各溶液质点间流速差异显著。这主要是由于入渗溶液与矿石颗粒发生碰撞，导致溶液质点流向的急剧改变并伴随质点间的动量交换和转移，进而引起流场畸变产生涡流^[20]。在流场畸变作用下，多个质点结合形成微团并可进行较长距离的运移，且在质点微团运移过程中与沿程质点间进行动量交换，从而进一步扩大流场畸变范围，导致涡流强度及范围的增加。当模型上部紊流溶液流经理想矿石颗粒Ⅰ和Ⅱ之间的孔隙及矿石颗粒与模型边界间区域时，矿石颗粒间孔隙结构对溶液流向产生限制作用，且不同流向溶液间相互碰撞。经过溶液质点间动量的合成与分解，最终使其速度方向与流场方向达到一致，形成沿纵向矿石孔隙流动的优先流。这表明矿石孔隙结构对矿堆内溶液流动具有导向作用。

图3表明，在理想矿堆内缓流溶液主要分为2部分：一是在矿石颗粒表面由于界面张力等作用而形成的流动性较差的吸附液层，吸附液层在重力作用及优先流的拖曳作用下，沿矿石颗粒表面缓慢流动，Mousavi等^[21]研究发现在矿石颗粒表面吸附液层与优先流溶液之间存在微小漩涡。二是位于沿溶液流向的矿石颗粒之间及矿石下部由于毛细作用及矿石阻碍所形成的缓流区，且因矿堆内优先流溶液与缓流区溶液间存在速度差异及黏滞作用，优先流溶液对缓流区溶液产生拖曳，致使在缓流区内溶液发生扰动并形成漩涡，Masuoka等^[20]称这类涡流为间隙涡流。

在理想矿堆内纵坐标为Y=35 mm，Y=95 mm和Y=115 mm这3个截面上各取20个点，分别计算不同喷淋强度下各点速度，点的位置以模型X轴中心线为对称轴对称分布。使用Tecplot软件进行数据提取，得到不同喷淋强度下理想矿堆内溶液速度特征，如表1所示。并绘制图4所示不同喷淋强度下各截面流速分布曲线图。

由图4(a)和4(b)可见：理想矿堆内Y=35 mm及Y=95 mm截面上溶液流速在不同喷淋强度下的分布趋势基本相似，溶液流速随喷淋强度的增加而增大。图4(c)显示Y=115 mm截面上溶液质点间流速差异性大的分布特征保持不变，各点间流速差异随喷淋强度的增大而更加显著，表明随着喷淋强度的增大，溶液紊流强度增加。这是由于随着喷淋强度增加，致使各溶液质点间的碰撞与动量交换更加激烈，从而引起紊流强度和涡流范围的增加。由表1也可看出：矿堆溶液最大流速随喷淋强度的增大而增大。因此，理想矿堆内溶液渗流场分布主要受到矿堆孔隙结构的影响，矿堆内溶液流速随喷淋强度的增加呈增大趋势，喷淋强度的增大也会对溶液流态产生影响。

图3  不同喷淋强度下理想模型内溶液速度矢量图

Fig. 3  Velocity vector distribution of solution in ideal model under different spray intensities

表1  不同喷淋强度下理想模型渗流场特性

Table 1  Seepage field characteristics of ideal model under different spray intensity

图4  不同喷淋强度下各截面流速分布

Fig. 4  Sectional velocity distribution under different spray intensities

2.2  真实矿堆孔隙内渗流场分布规律

将获取的真实矿堆模型溶液质点瞬时位移图像导入Micro Vec软件，采用互相关算法进行处理，得到不同喷淋强度下真实矿堆模型内溶液速度矢量分布，如图5所示。由图5可见：真实矿堆溶液渗流场分布极不均匀，矿堆内溶液可分为优先流溶液、缓流溶液和不动溶液3部分，其中矿堆孔隙空间内溶液优先渗流路径如图5(c)所示，不动溶液主要存在于矿堆内死端孔隙中，缓流溶液位于优先流与矿石颗粒或不动溶液之间。

真实矿堆模型内右侧入渗溶液与矿石颗粒发生碰撞，溶液质点间进行动量交换，导致溶液速度及流动方向发生改变，受矿石形状及孔隙的影响大部分溶液进入左侧孔隙空间，与左侧入渗溶液发生碰撞，并在重力及黏滞作用下形成图5(c)所示的优先流。在速度差异及黏滞作用下优先流对相邻溶液产生拖曳，使得优先流相邻溶液缓慢流动形成缓流区。由于矿石颗粒的阻碍及孔隙的影响，导致在真实矿堆模型内X= 120 mm与X=140 mm之间区域内溶液与外部溶液缺乏有效的动量交换，使得该区域内部溶液流动性较差。

由图5还可以看出：溶液可在相互贯通的孔隙空间内流动，而在矿堆中死端孔隙内部流动性极差，为不动溶液。矿堆中死端孔隙内部不动溶液与优先流间存在涡流区域，这是由于优先流溶液流经死端孔隙区域时对其中溶液产生冲击和拖曳作用，使死端孔隙中处于外侧的溶液发生扰动，伴随溶液质点间的动量交换，逐步扩大扰动范围形成局部涡流。图5显示尺寸较大的死端孔隙与优先渗流间涡流强度较大，尺寸较小的死端孔隙与优先渗流间涡流强度较小，是由于死端孔隙与优先流接触面积控制着溶液间动量交换程度，因而死端孔隙影响着死端孔隙内不动溶液与优先流溶液间涡流的强度。

将理想模型溶液渗流场分布与真实模型溶液渗流场分布进行对比，可知矿石形状对矿堆内溶液渗流有重要影响。当溶液与矿石颗粒发生碰撞时，矿石形状控制着碰撞后溶液的流动方向，由此对矿石颗粒周围溶液渗流场分布产生影响。同时矿石颗粒形状也影响着矿堆内孔隙结构的形状及大小。

使用Tecplot软件对原始数据进行提取，计算各喷淋强度下图5(c)所示A，B，C，D和E 5点的溶液流速，得到各点溶液流速与喷淋强度间的关系。图6所示为不同喷淋强度下优先流沿程速度变化规律，图7所示为优先渗流路径上各点流速随喷淋强度变化情况。由图5可知不同喷淋强度下真实矿堆渗流场分布趋势相似，图6表明不同喷淋强度下优先流沿程流速变化规律基本一致。由图7可知渗流场内溶液流速随喷淋强度的增加而增大。

由上述分析可知：矿堆内部溶液渗流场分布规律主要受矿堆孔隙结构及矿石颗粒特征的影响，喷淋强度对矿堆内溶液渗流的影响主要表现在对局部流态及流速的改变方面。Kartha等^[22]研究表明矿堆内溶质运移主要发生在缓流溶液与优先流溶液之间及缓流溶液与不动溶液之间。而溶浸剂有效运至矿石，浸出金属离子能够快速运出矿堆，是浸出成败的关键。因此，对矿堆孔隙结构及入堆矿石颗粒特征进行调控，是改善矿石浸出效果的有效手段。

图5  不同喷淋强度下真实模型溶液流速矢量图

Fig. 5  Velocity vector distribution of solution in real model under different spray intensities

图6  不同喷淋强度下优先流沿程速度变化规律

Fig. 6  Change rule of velocity along preferential flow path under different spray intensities

图7  优先流各点流速随喷淋强度变化曲线

Fig. 7  Velocity of points on preferential flow changing with different spray intensities

3  结论

1) 利用所构建的细观矿堆物理模型，通过分散式布液结构，开展了多种喷淋强度条件下细观矿堆的溶液渗流实验，采用粒子成像测速(PIV)技术有效测定了细观矿堆溶液渗流场分布规律。

2) 细观矿堆溶液渗流场分布具有明显的不均匀性，矿堆内部不同区域溶液间流速差异显著。

3) 不同喷淋强度下矿堆细观渗流场分布规律相似。喷淋强度主要对溶液流速及流态产生影响，矿堆内溶液最大流速随喷淋强度的增加而增大。

4) 矿石颗粒特征及矿堆孔隙结构是影响矿堆细观渗流场分布规律的主要因素，调节入堆矿石粒径分布及形状是改善渗流效果、缩短浸出时间、提高金属浸出率的有效手段。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2014-07-15；修回日期：2014-09-17

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51374035)；新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-13-0669)；全国优秀博士学位论文作者专项资金资助项目(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)

通信作者：尹升华，博士，教授，从事溶浸采矿、膏体充填等研究；E-mail: csuysh@126.com