劉興美，李小靜，周岳遠(yuǎn)，劉石梅，曹傳輝（長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南　長沙　410012）

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【礦產(chǎn)資源】

我國周期式高梯度磁分離設(shè)備研究現(xiàn)狀與展望

劉興美，李小靜，周岳遠(yuǎn)，劉石梅，曹傳輝
（長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南長沙410012）

【摘 要】本文介紹了周期式高梯度磁分離設(shè)備的研發(fā)背景與發(fā)展概況，主體結(jié)構(gòu)與分離機(jī)理；簡述了我國周期式高梯度磁分離設(shè)備的研究現(xiàn)狀；探討了周期式高梯度磁分離設(shè)備的大型化及運用數(shù)值模擬分析軟件在周期式高梯度磁分離設(shè)備磁場與流場研究領(lǐng)域的重要性。

【關(guān)鍵詞】高梯度磁分離；磁介質(zhì)；大型化；數(shù)值分析

近幾十年來我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，催生了對礦產(chǎn)資源的巨大需求。除了大量進(jìn)口之外，我國對本土資源的開發(fā)力度也逐年加大。一些易開采、品位高的礦產(chǎn)資源經(jīng)過幾十年的開發(fā)利用已逐步消耗殆盡。為了保持經(jīng)濟(jì)發(fā)展又不至于過高的對外依存度，我國正處于需要大量開發(fā)利用具有“貧、細(xì)、雜”特點的難選礦產(chǎn)資源的階段。周期式高梯度磁分離設(shè)備以其所具有高背景磁場強度、高磁場梯度、較大分選空間的優(yōu)勢，適合處理微細(xì)粒弱磁性物料，廣泛應(yīng)用于多個行業(yè)。由于我國高梯度磁分離設(shè)備的研究工作起步相對較晚，理論研究基于解決工程生產(chǎn)實踐問題。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，雖有一定的工業(yè)化應(yīng)用，但相對國外而言設(shè)備的單位能耗較高。設(shè)備大型化是解決這一問題的有效途徑，更有助于工業(yè)化推廣應(yīng)用。

1　高梯度磁分離設(shè)備的研發(fā)背景與發(fā)展概況

1.1研發(fā)背景

針對弱磁性礦物開發(fā)利用而研制的強磁場磁選設(shè)備的發(fā)展經(jīng)歷了幾個重大發(fā)展階段。第一代強磁場磁選設(shè)備主要依靠特殊結(jié)構(gòu)的電磁磁系與導(dǎo)磁圓盤、輥等組成閉合磁路，從而提高磁場強度。磁極頭與圓盤、感應(yīng)輥等的間隙即為分選區(qū)。設(shè)備結(jié)構(gòu)雖各不相同，但分選區(qū)具有一個共同點，即每個工作間隙只有一個分選面，稱為“單層分選空間”。這種強磁場磁選設(shè)備解決了粗粒級弱磁性礦物的開發(fā)利用。20世紀(jì)60年代來，世界多國成功研制大量新型的第二代濕式強磁場磁選設(shè)備，其中瓊斯型濕式強磁選機(jī)作為典型代表。第二代濕式強磁場磁選設(shè)備使分選區(qū)從單層分選空間進(jìn)入到多層面多梯度分選空間。這種基于聚磁介質(zhì)而提出的“多層感應(yīng)磁極”設(shè)計的磁路，原則上均是以鐵芯構(gòu)成磁路的空氣隙作為工作間隙。在保證有較高的磁場強度與磁場梯度的前提下，增加分選區(qū)間的有效作用面積，較大地提高了設(shè)備的處理能力。第二代濕式強磁場磁選設(shè)備解決了細(xì)粒級弱磁性礦物的開發(fā)利用。Marston利用螺線管線圈內(nèi)腔作為分選空間，將軛鐵包在線圈外部形成磁路，分選腔磁場可達(dá)到1.59×106A/m以上，并且較瓊斯型磁選機(jī)可以有大得多的分選空間。金屬齒板、球、網(wǎng)板等聚磁介質(zhì)雖能形成較高的磁場梯度，但對一些微細(xì)粒弱磁性礦物的分選仍然不夠，且球介質(zhì)易造成磁通短路［1］。Kolm將纖維狀導(dǎo)磁不銹鋼毛作為聚磁介質(zhì)，從而在微小區(qū)域形成很高的磁場梯度，較瓊斯型磁選機(jī)提高了1～2個數(shù)量級。新型聚磁介質(zhì)的發(fā)現(xiàn)推動了高梯度磁選領(lǐng)域的研究［2］。60年代末，Marston新磁路與鋼毛聚磁介質(zhì)的結(jié)合，產(chǎn)生了科姆—馬斯頓鎧裝螺線管磁系、鋼毛聚磁介質(zhì)高梯度磁選機(jī)。

1.2發(fā)展概況

周期式高梯度磁分離設(shè)備以鎧裝螺線管磁系，分選腔填充導(dǎo)磁介質(zhì)形成封閉、半封閉的磁路系統(tǒng)。具有漏磁少、分選腔背景磁選均勻、磁場梯度達(dá)到104～108T/m、介質(zhì)填充率低（4%～14%）、設(shè)備可模擬放大、有利于大型化等優(yōu)點，它更適合于微細(xì)粒弱磁性物料的磁分離作業(yè)。第一臺周期式高梯度磁分離設(shè)備于1968年在美國研制成功，用于除去高嶺土中＜2μm的弱磁性顆粒。此后，英國、日本等也開始高梯度磁選的研究。

國外完成了高梯度磁分離設(shè)備的設(shè)計定型與推廣應(yīng)用，理論研究上主要側(cè)重于捕收機(jī)理研究、建立高梯度磁分離的數(shù)學(xué)模型，并提出多種經(jīng)驗?zāi)Ｐ停ζ胶饽Ｐ汀⑦\動軌跡模型、載荷聚集模型、DLVO理論模型等），目的在于通過一些基本參數(shù)的研究測定得到最佳的分選條件。

我國于70年代開始高梯度磁選的研究。1978年長沙礦冶研究院在國內(nèi)率先完成聚磁介質(zhì)鋼毛與鋼板網(wǎng)的研制，隨之國內(nèi)相關(guān)科研院所也開展了大量的研究工作。針對介質(zhì)堵塞問題中南大學(xué)科研團(tuán)隊研制振動與脈動周期式高梯度磁分離機(jī)；稀土永磁材料的發(fā)展，帶動了周期式高梯度磁分離設(shè)備磁系永磁化研究。目前國內(nèi)外高梯度磁分離技術(shù)與設(shè)備廣泛應(yīng)用于微細(xì)粒弱磁性金屬礦選礦、非金屬礦除雜提純、工業(yè)“三廢”處理，尤其在長石和高嶺土除鐵（鈦）領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。然而，我國高梯度磁分離設(shè)備工業(yè)化推廣應(yīng)用仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)。

2　周期式高梯度磁分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)與分離機(jī)理

2.1設(shè)備結(jié)構(gòu)

周期式高梯度磁分離設(shè)備針對不同的處理對象結(jié)構(gòu)也有所不同。按用途主要分為兩種類型，分別為周期式高梯度磁選機(jī)與周期式高梯度磁過濾器。周期式高梯度磁選機(jī)主要用來對含微細(xì)粒弱磁性顆粒的精礦提純、非金屬礦除雜。礦漿經(jīng)過調(diào)漿、分散具有較高的固液比，為使聚磁介質(zhì)能夠有效地捕集弱磁性微粒，要求礦漿流經(jīng)聚磁介質(zhì)有較長的滯留時間，即流體具有較低的流速（約7mm/s）［3］。而周期式高梯度磁過濾器處理對象一般為工業(yè)廢水、廢氣，其中磁性顆粒含量低或極低，并且磁場力對競爭力具有較明顯的優(yōu)勢，磁性顆粒較易被捕獲，所以一般流經(jīng)分選腔的流體具有較高的流速（27～137mm/s）［4］。流體介質(zhì)根據(jù)處理對象一般又分為水介質(zhì)與空氣介質(zhì)，工業(yè)應(yīng)用還是以水介質(zhì)居多。周期式高梯度磁分離設(shè)備雖然形式多樣，但主體結(jié)構(gòu)基本相同，見下圖。

周期式高梯度磁分離設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)

2.2工作機(jī)理

2.2.1磁性顆粒的捕獲機(jī)理

周期式高梯度磁分離設(shè)備捕獲磁性微粒是通過磁介質(zhì)作用的，磁介質(zhì)在磁場中被磁化形成較高的磁場梯度，極大地提高了對磁性微粒的磁力作用。而能否捕獲磁性微粒是其所受力的綜合作用的結(jié)果，當(dāng)磁力占據(jù)明顯優(yōu)勢時磁性微粒被磁介質(zhì)吸引靠近磁介質(zhì)至被其吸住。磁性微粒在分選腔中受力情況十分復(fù)雜，除磁力外還有流體作用力、重力、顆粒間的相互作用力等。有研究表明：當(dāng)磁性微粒粒度＞10μm時，其重力較磁力小1～2個數(shù)量級；當(dāng)粒度更小時雖然磁力與重力均有所減小，但顆粒受流體作用力影響卻更加明顯［5］。故磁性微粒的重力、顆粒間的相互作用力較磁力、流體作用力而言幾乎可以忽略。盡管分選腔內(nèi)流體流速較小，但由于是固—液、氣—固兩相流，且是擴(kuò)散系統(tǒng)并有磁介質(zhì)的擾動，所以內(nèi)部流場十分復(fù)雜，尤其是靠近聚磁介質(zhì)更是如此，而鮮有文獻(xiàn)對此進(jìn)行闡述。目前處理流體作用力是建立在理想流體、聚磁介質(zhì)附近層流分選基礎(chǔ)之上，并對復(fù)雜因素做近似或理想化假設(shè)。磁性微粒被捕獲的必要條件是磁阻比R=FM/FD≥1（式中：FM為微粒的磁力作用、FD為微粒的流體作用）。故研究磁性微粒的捕獲機(jī)理，流體作用是一個值得關(guān)注的方向。

2.2.2磁性微粒與非磁性微粒分離

盡管磁性微粒具備被捕獲條件，但也未必能夠與非磁性顆粒分離，有很多因素影響這一過程。從分選物料而言，若礦漿中含強磁性礦物或磁性微粒含量較高，由于較易被聚磁介質(zhì)捕獲且易形成磁鏈，故會造成磁介質(zhì)的堵塞而中斷分選過程或因為機(jī)械夾雜而使磁性物與非磁性物不能夠充分分離。為解決該問題一般增加一段預(yù)磁選工藝，也有采用振動或脈動結(jié)構(gòu)來防止堵塞。從控制條件上來說，主要是創(chuàng)造分選腔適宜的分選環(huán)境，使礦漿以層流的形式流經(jīng)磁介質(zhì)，確保磁性微粒與聚磁介質(zhì)有足夠的作用時間。而影響這一過程的因素較多，包括給礦濃度、分選罐結(jié)構(gòu)、給礦壓力、非磁性產(chǎn)品排出速率、介質(zhì)形狀與填充率等。從周期式高梯度磁分離的操作流程來說，磁性微粒需要經(jīng)過反沖—正沖才能排出分選腔，然而排出程度卻極大的受分選罐結(jié)構(gòu)的影響，給料方式抑或也有一定的影響，但卻未見有相關(guān)的文獻(xiàn)報道。而磁性微粒排出不徹底必然會影響下一周期作業(yè)磁性物與非磁性物的分離。

3　我國周期式高梯度磁分離設(shè)備的研究現(xiàn)狀

3.1磁路設(shè)計

磁路設(shè)計是磁分離設(shè)備最關(guān)鍵的部分之一，合理的磁路設(shè)計不僅能保證分選腔必要的背景磁場，而且還能優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)、節(jié)約磁系材料、節(jié)能降耗。良好的磁場分布作為磁路設(shè)計的目的與檢驗，它的試驗研究對磁路設(shè)計十分重要。而作為磁場的最終來源與磁路的重要組成部分的磁系又是重中之重。

3.1.1磁系

按照勵磁方式周期式高梯度磁分離設(shè)備磁系分為電磁系與永磁系。隨著稀土永磁材料的發(fā)展與設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，永磁系具有較好的應(yīng)用前景。長沙礦冶研究院研制成功的CRIMM型雙箱往復(fù)式永磁高梯度磁選機(jī)已在長石、高嶺土等非金屬礦選礦提純產(chǎn)業(yè)中得到應(yīng)用并且效果較好［6］。盡管永磁系具有節(jié)能的優(yōu)勢，但分選空間小，單體設(shè)備處理能力低，故目前仍以電磁系為主。電磁系周期式高梯度磁分離設(shè)備的主要成本與功率消耗在于激磁線圈。賴衛(wèi)平［7］提出在具有綜合力場作用的周期式高梯度磁分離設(shè)備磁系設(shè)計中，以礦漿在分選腔停留時間及磁介質(zhì)捕集負(fù)荷為基本條件確定分選腔尺寸，通過矮線圈設(shè)計獲得磁系結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化值，較優(yōu)化前，線圈的材料大為減少，功率消耗也得到較大降低，為電磁系的優(yōu)化設(shè)計提供了較好的參考。超導(dǎo)磁體工業(yè)化應(yīng)用技術(shù)的日趨成熟，推動了超導(dǎo)磁分離設(shè)備的研究。用超導(dǎo)材料替代常規(guī)電磁系不僅能夠極大地提高磁場強度，還能達(dá)到節(jié)能降耗的目的，國外已有相關(guān)研究的專利產(chǎn)生［8-9］并且相關(guān)設(shè)備已應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。近年來，國內(nèi)也已開始研制工業(yè)型超導(dǎo)磁分離設(shè)備［10］。

3.1.2磁場分布研究

磁場分布是評估設(shè)備性能的重要參數(shù)，分選腔里磁場的分布均勻程度與強度直接影響礦物的分選效果，也為判斷磁路設(shè)計是否合理、優(yōu)化磁系與磁極頭的結(jié)構(gòu)提供參考依據(jù)，所以對磁場分布的準(zhǔn)確分析與計算必不可少?？偨Y(jié)前人的研究方法主要分兩大類：試驗研究、場論研究。而這兩類方法在實踐中又相輔相成，試驗研究中一般采用實測法與模擬法。實測法是利用高斯計、霍耳元件等直接檢測磁選設(shè)備的磁選分布，但對于較小分選空間的設(shè)備尚無法檢測；模擬法通過測得分選空間的電位分布，間接地反映磁場分布，適用于較小分選空間的設(shè)備。場論研究是建立在磁路定律與數(shù)值計算的基礎(chǔ)之上，對具體的問題進(jìn)行抽象化、模型化，并作理想化的假設(shè)，進(jìn)而對磁場分布做理論計算與近似估計。主要有線性積分法、回路磁通法、并聯(lián)磁路法、經(jīng)驗計算法等研究方法。而這些研究方法不僅要求研究者具備豐富的設(shè)計經(jīng)驗，而且局限于一些特定的情況，并存在計算結(jié)果與實際值間的偏差難以估計、某些關(guān)鍵參數(shù)難以確定等問題。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬理論與軟件的開發(fā)對電磁場分布研究提供了極大的幫助。近年來，愈來愈多的研究者利用ANSYS、MATLAB等有限差分、有限元、邊界元等分析軟件對磁選設(shè)備的磁場進(jìn)行數(shù)值分析，從而優(yōu)化或設(shè)計性能更佳的磁選設(shè)備。程常松等［11］曾利用ANSYS軟件對CRIMM型雙箱往復(fù)式永磁高梯度磁選機(jī)磁系進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)方案，較之前設(shè)計方案背景磁場提高了0.1T以上?？梢娪嬎銠C(jī)數(shù)值模擬對于磁場分布研究確實是一行之有效的途徑。

3.2聚磁介質(zhì)研究

聚磁介質(zhì)在高梯度磁分離中是高磁場梯度產(chǎn)生的基礎(chǔ)，也是捕獲弱磁性微細(xì)粒的載體。其物理參數(shù)對設(shè)備性能有至關(guān)重要的影響。這些參數(shù)主要有材質(zhì)、形狀、尺寸、組合方式、填充率等。我國在聚磁介質(zhì)方面進(jìn)行了大量的研究工作。新聚磁介質(zhì)的研究基本以鐵基材料為基體，添加特定元素并調(diào)控比例，從而具有導(dǎo)磁性能好、矯頑力小、易加工、韌性高等優(yōu)點。聚磁介質(zhì)的形狀與尺寸因高梯度磁分離的用途不同而多樣化，周期式高梯度磁分離設(shè)備一般處理微細(xì)粒物料，需要較高的磁場梯度，故常采用絲狀或網(wǎng)狀介質(zhì)?；诮z狀與網(wǎng)狀周圍磁場分布的復(fù)雜性，介質(zhì)組合方式的研究基本建立在棒狀介質(zhì)的基礎(chǔ)上，理論上仍以單絲磁力捕獲理論為主。近年來，基于ANSYS等數(shù)值模擬軟件的運用，磁場分布以云圖、等值線等可視化形式體現(xiàn)，對于研究介質(zhì)組合方式提供了極大的幫助。鄭霞裕等［12］做了基于ANSYS探討高梯度磁場特性的研究工作，得到磁介質(zhì)上下交替排列，分選腔中磁場與磁場梯度分布更均勻的結(jié)論。介質(zhì)填充率影響著設(shè)備的處理量、磁性微粒的捕集。周期式高梯度磁分離理論上介質(zhì)填充率5%～14%，過低不能夠充分的利用分選空間、影響產(chǎn)品質(zhì)量；過高易阻礙流體流動，造成夾雜或阻塞。所以合適的填充率不僅需要理論上的指導(dǎo)，更需要試驗驗證。

3.3大型化研究

我國周期式高梯度磁分離設(shè)備經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已有部分機(jī)型用于工業(yè)化生產(chǎn)，磁過濾器得到較好的推廣，而高梯度磁選機(jī)卻面臨諸多難題。實踐表明大型設(shè)備的單位處理成本較低，然而設(shè)備大型化仍存在給礦不均勻、介質(zhì)沖洗不干凈、分選指標(biāo)不穩(wěn)定等問題。這些問題是設(shè)備模擬放大產(chǎn)生的，受設(shè)備結(jié)構(gòu)影響較大。長沙礦冶研究院在歷經(jīng)幾十年的設(shè)計、生產(chǎn)實踐的基礎(chǔ)上對不同尺寸分選腔結(jié)構(gòu)給出經(jīng)驗化的設(shè)計方案，其中Φ1 000mm分選腔設(shè)計經(jīng)過工業(yè)生產(chǎn)的實踐驗證取得了比較穩(wěn)定的分選效果。近年來，隨著計算流體力學(xué)（CFD）理論體系的建立與完善，以及流體仿真模擬軟件的開發(fā)應(yīng)用，推動了探究復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場分布研究。選礦科研人員也運用它來分析設(shè)備的流場分布情況，優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)。在浮選機(jī)、旋流器、攪拌槽等設(shè)備的優(yōu)化中已得到較多的應(yīng)用。盧東方等［13］在研發(fā)旋流高梯度磁選機(jī)時運用FLUENT流體分析軟件分析礦漿流場分布、優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，并取得理想的效果。

4　結(jié)論與展望

（1） 我國周期式高梯度磁分離技術(shù)已有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)備趨于多樣化發(fā)展，但主體結(jié)構(gòu)仍具有一致性。深入研究周期式高梯度磁選機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、條件參數(shù)對優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)、提高分選指標(biāo)具有重要價值，也有利于周期式高梯度磁分離設(shè)備的工業(yè)化推廣。

（2） 磁介質(zhì)對弱磁性微粒的捕集主要受磁力、流體作用力的影響，深入研究聚磁介質(zhì)附近的磁場、流場規(guī)律對分析微粒的捕獲機(jī)理十分必要?；贏NSYS、FLUENT等分析軟件的數(shù)值模擬能夠?qū)⒋艌?、流場以云圖、等值線的方式可視化顯示，故借助此類分析軟件研究高梯度磁分離機(jī)理、磁系設(shè)計與磁介質(zhì)具有較好的前景。

（3） 周期式高梯度磁分離設(shè)備大型化是其推廣應(yīng)用的必然趨勢，然而大型化存在的給礦不均勻、分選指標(biāo)不穩(wěn)定等技術(shù)瓶頸必須要得到適當(dāng)?shù)慕鉀Q?；贑AD/CAE進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計為大型化提供了可靠的途徑。

【參考文獻(xiàn)】

［1］PARKER M R. The physics of magnetic separation［J］. Contemp. Phys， 1977， 18（3）: 279-306.

［2］BIRSS R R， GERBER R， PARKER M R. Analysis of matrix systems in high intensity magnetic separation［J］. Filtration and Separation， 1977， 14（4）: 339-342.

［3］李小靜，徐星佩，周岳遠(yuǎn)，等.CRIMM型高梯度磁選機(jī)在高嶺土精制中的應(yīng)用［J］.礦產(chǎn)保護(hù)與利用，2005（6）：25-27.

［4］沈曉理.高梯度電磁過濾處理鋼鐵廢水的研究［J］.湖北環(huán)境保護(hù)，1980（3）：139-143.

［5］吳喜慶，米夏夏，楊斌.斜環(huán)永磁高梯度磁選機(jī)的原理及應(yīng)用［J］.中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011（9）：2537-2542.

［6］李小靜，周岳遠(yuǎn)，曹傳輝，等.CRIMM型雙箱往復(fù)式永磁高梯度磁選機(jī)研制及應(yīng)用［J］.金屬礦山，2008（1）：47-48.

［7］賴衛(wèi)平.周期式高梯度磁選機(jī)磁系設(shè)計探討［J］.有色設(shè)備，1990 （1）：14-18.

［8］ADAM A S. Superconducting magnetic separator: US， 5743410 ［P］. 1998-04-28.

［9］JOHN D B. Superconductive magnetic separator: US， 3503504 ［P］. 1970-03-01.

［10］孫仲元，朱自安，王美芬.超導(dǎo)磁選設(shè)備的發(fā)展［C］//中國采選技術(shù)十年回顧與展望——第三屆中國礦業(yè)科技大會論文集，機(jī)電與自動化技術(shù)，2012：599-604.

［11］程常松，周岳遠(yuǎn)，李小靜.CRIMM永磁高梯度磁選機(jī)磁系改進(jìn)研究［J］.礦冶工程，2013（8）：78-80.

［12］鄭霞裕，李茂林，崔瑞，等.基于ANSYS的高梯度磁選機(jī)磁場特性影響因素分析［J］.金屬礦山，2013（7）：139-143.

［13］盧東方，王毓華，何平波，等.旋流高梯度磁選機(jī)的原理及分選性能預(yù)測［J］.中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014（1）：1-7.

【中圖分類號】TD924.11

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】1007-9386（2016）01-0037-04

【收稿日期】2015-10-15

Research Status and Prospect of Cycle-type High Gradient Magnetic Separators in China

LIU Xing-mei， LI Xiao-jing， ZHOU Yue-yuan， LIU Shi-mei， CAO Chuan-hui
（Changsha Research Institute of Mining & Metallurgy Co. Ltd.， Changsha 410012， China）

Abstract:This paper describes the research and development background and general situation of the cycle-type high gradient magnetic separator， introduces the main structure， separation mechanism and the current state of China's cycle-type high gradient magnetic separators research. Then， it also discusses that the inevitable trend of large scaling of the equipment. Last， which illuminates the important of using numerical simulation software to research magnetic field and flow field in the research of high gradient magnetic separators.

Key words:high gradient magnetic separator； matrices； larger-scale unit； numerical simulation