水力旋流器是利用离心力场实现多相体系高效分离的单元设备,结构非常简单,但内部多相流场却十分复杂。旋流器分离机制与多相流体运动行为密切相关,深入研究两者之间的影响规律有利于调控分离过程和优化结构设计。本文以数值模拟和实验测试为研究方法,全面探索了旋流器内部气液固多相运动规律、颗粒相分离特性与运动行为和高精度颗粒分级影响机制。通过计算流体力学(CFD)方法建立了准确描述旋流器内多相流动的数学模型。在时均纳维斯托克斯(N-S)方程之上,采用雷诺应力模型(RSM)预测各向异性的液相湍流流场；采用流体体积分率模型(VOF)捕捉气相瞬时变化特性；采用拉格朗日颗粒追踪模型(DPM)描述颗粒相的运动行为。将计算得到的液相速度分布、空气柱半径和颗粒相分离效率与实验数据比较,证明了数学模型的准确性和可靠性。利用所建立的数学模型,以分离效率、受力状态和运动轨迹为研究内容全面探讨了颗粒相的分离机制。结果发现：流体曳力、压力梯度力和离心力的共同作用控制颗粒的运动。对于不同粒径颗粒的分离机制,单位质量颗粒所受径向流体曳力起决定性作用,而离心力和径向压力梯度力基本保持不变。随着颗粒粒径的增大,流体曳力呈指数降低,离心力和压力梯度力的控制作用增强,表现为分离效率的提高。在溢流离开的颗粒中,较大比例的颗粒运动时间较短,会快速运动至溢流管下端即进入内旋流。对于底流离开的颗粒,随着粒径的增加,颗粒会以更快的旋转速度,较为清晰的轨迹进入外旋流。研究还考察了颗粒密度、料液粘度、进料流量、进料方式和分流比对颗粒相分离特性与运动行为的影响。采用系统的分级精度评价指标,以粗细颗粒精确分级为分离目标进行了旋流器结构优化。研究表明：无量纲进口直径(Di/Dc)、无量纲溢流管直径(Do/Dc)、无量纲锥段长度(Lz/Dc)和无量纲底流管直径(Du/Dc)对于分级精度的影响最为显著。分级精度随着无量纲进口直径的增加逐渐提高,但是无量纲进口直径超过临界值(Di/Dc=0.35)后,由于短路流现象的加剧,粗颗粒底流回收效率的急剧降低会引起分级精度的下降。分级精度随着无量纲溢流管直径的增加先增大后减小,分流比的降低引起细颗粒溢流分离效率的提高,切向速度的减小则导致粗颗粒底流回收效率的降低。随着无量纲锥段长度的增加,分级精度呈现先增大后减小的趋势,分流比的增大造成细颗粒溢流分离效率的降低,而停留时间的延长引起粗颗粒底流回收效率的提高。分级精度随着无量纲底流管直径的增加逐渐减小,由于分流比的大幅提高引起细颗粒溢流分离效率的显著减小,导致分级精度的降低。最终,颗粒精确分级的旋流器结构优化范围为：Di/Dc=0.20～030、 Do/Dc=0.35～0.60、Lz/Dc=1.25～2.00和Du/Dc=0.05～0.15。通过响应曲面方法进行高精度旋流器设计,结果发现：无量纲溢流管直径是影响分级精度的关键结构参数,其次为无量纲锥段长度,无量纲进口直径和无量纲底流管直径的影响最弱。并且,无量纲溢流管直径与无量纲锥段长度之间相互作用的影响最为显著。优化旋流器几何结构为Di/Dc=0.20、Do/Dc=0.35、L2/Dc=1.67和Du/Dc=0.10,模拟所得的细颗粒溢流分离效率和粗颗粒底流回收效率分别为89.9%和96.7%。高精度旋流器分级性能测试数据表明：对于酸解尾渣体系,细颗粒溢流分离效率可达96.0%,粗颗粒底流回收效率为69.7%。通过工艺运行发现,底流回收颗粒中含有较少的细颗粒泥渣,无需二次溢流漂洗；减缓了“溢流跑粗”导致的过多钛矿损失,二氧化钛回收率可达51.0%。