在磨矿作业中旋流器作为分级分选设备得到了广泛应用,但由于多组分颗粒在旋流场内等沉速度造成的“底流夹细”,往往引起矿石过磨,导致精矿回收率和系统处理量降低等问题。作者基于松散分级理论,提出一种W型结构旋流器,该结构是将传统柱锥组合形式改为全柱段结构,并将底流口反向插入旋流器内部形成一种“W”型式的内腔,从而通过对旋流器内部流场的调控,实现颗粒群的松散及传质,达到降低底流夹细的目的。本文从W型结构旋流器内的流场分布、特殊流动形式、颗粒运动和分布等入手,采用理论建模、数值模拟和试验验证的方法,研究了 W型结构旋流器内多相流流动特性及分级机理,研究结果具有重要的理论意义和实践意义。首先,针对W型结构旋流器内气、液、固三相共存的流场特性,选择RSM湍流模型用于旋流器内部高速旋转流的模拟,采用VOF模型获取旋流器内空气柱的动态发展特性,采用DPM模型获取颗粒运动轨迹,采用Euler模型获取旋流分离性能。并针对W型结构旋流器底部颗粒高浓度聚集的特性,基于流体动力学理论和颗粒动力学理论,对颗粒相模型进行了修正,充分考虑颗粒之间的相互作用,使之更适用于W型结构旋流器内的颗粒运动研究。其次,研究了旋流器边壁结构对其内部流场和分离性能的影响。研究证明,相比于柱锥型结构,W型结构旋流器内流体的轴向速度减小,颗粒停留时间延长,有利于颗粒的充分分离;同时底流口附近形成高浓度悬浮流化层,对颗粒起到淘洗的作用,可使底流夹杂的细颗粒逸出并再次被内旋流捕集,有效减少底流夹细。针对W型结构进行了研究,减小W型结构的宽度可以提高柱段底端悬浮流化层的密度,而增加W型结构的高度可提高悬浮层的厚度,经综合对比分离粒度、分离总效率和分离精度后,得到了优选的W型结构参数:高度比为0.064、宽度比为0.333。再次,对W型结构旋流器内流体流动特性进行了模拟研究,全面考察了底流口直径、溢流口直径和插入深度、柱段高度以及入口速度对旋流器内流场发展、压降、分流比、压力场和速度场的影响规律。结果表明:随底流口直径增大,旋流器压降略有降低,而分流比逐渐增加且趋势明显,底流口直径变化对切向速度和外旋流轴向速度影响较小,而对内旋流轴向速度影响较大;溢流管直径变化对空气柱影响很大,随着溢流管直径增大,空气柱逐渐稳定且直径增大,同时压降和分流比都大幅度减小,内旋流轴向速度逐渐增大,零速点逐渐向外移动;在外旋流区域,轴向速度随着插入深度的增加而减小,而在内旋流区域,随着插入深度的增加而增大;随着柱段高度的增加,其总压降逐渐降低,在旋流器设计时,可通过适当增加旋流器柱段高度,来降低能量损耗,增加其处理量;入口速度提高虽然会提高离心力场强度,但入口速度增大会造成更多的能量损耗,同时流速过快缩短了流体在旋流器内的停留时间,不利于颗粒的完全分离。随后,对W型结构旋流器内颗粒运动特性进行了研究,结果表明:W型结构旋流器内离心惯性力和压力梯度力是重力的几百倍,径向曳力量级可达106,是径向运动的主要动力,且随着颗粒粒径的增大,颗粒所受径向曳力呈指数减小。在主分离区域径向离心力随着颗粒密度的增大而逐渐升高,而压力梯度力基本不受颗粒密度变化的影响;在旋流器底部区域,颗粒密度变化对径向离心力并无明显影响,压力梯度力则随着颗粒密度的增大逐渐减小;随着颗粒密度的增大,颗粒所受径向曳力逐渐增大。当给料中颗粒浓度升高时,颗粒所受径向离心惯性力和径向曳力均大幅度降低,而对压力梯度力并无明显影响。最后,采用实验室试验测试的手段研究了溢流管直径、插入深度、底流口直径、颗粒浓度和入口压力对W型结构旋流器产物浓度、产率、粒度及分级效率等分离性能的影响规律,同时基于响应面法建立了以底流细颗粒含量、分级量效率和分级质效率为性能指标的预测模型,并进行了多参数优化,得到本研究的最优参数组合。针对某铁矿磨矿分级旋流器反富集现象严重的问题,依据研究结果设计了Φ660mm W型结构旋流器并应用于工业现场。经过工业运行验证,成功将底流中-200目颗粒含量降低了 1.46个百分点,量效率提高了 8.32个百分点,返砂负荷减少了 33.38%,有效解决了球磨机过磨导致精矿产率降低的问题。