随着国民经济的快速发展以及生态环保理念的日益深入,水资源高效利用已成为可持续发展战略的关键。然而,我国大部分河流的泥沙含量远高于全球河流泥沙含量的平均水平,河流普遍存在引水渠道淤积、水力机械磨蚀、农田耕地沙化等问题。为进一步提高引水渠道内的水沙分离效率,结合旋转水流的特点与现有排沙技术的优缺点,创新性地提出了一种水沙分离新技术—旋流排沙渠道。然而,作为一项水沙分离新技术,旋流排沙渠道能否成功应用,并有效解决多泥沙河流上引水时亟待解决的水沙分离和水资源高效利用问题,其体型的合理性尚需深入研究。以旋流排沙渠道这一新型旋流排沙技术作为研究对象,采用模型试验、数值模拟与理论分析相结合的方法对旋流排沙渠道内旋转水流结构及其水力特性与排沙特性进行深入研究,并采用正交试验设计开展旋流排沙渠道的体型优化。其主要成果如下:（1）首先通过数值模拟与简单的枚举法,利用Realizablek-α湍流模型、VOF法的Sharp处理方式、PISO算法、PRESTO离散模型以及QUICK离散格式,以满足旋流强度下的最小排沙耗水量为目标函数,对旋流排沙渠道各体型参数进行影响分析并初步确定旋流排沙渠道的体型参数:排沙渠道宽为0.3m,高为0.4m,总长度为6.4m,起旋室进口宽度为0.1m,起旋室出口宽度为0.035m,起旋室高度为0.15m,排沙洞直径为0.07m,排沙洞轴线与渠道呈60°夹角。并将数值模拟结果与试验实测值进行对比分析,误差值均小于7%,表明所选用的数学模型可以实现对旋流排沙渠道起旋室内部水流水力特性的精确模拟。（2）在体型优化方面,基于数值模拟与模型试验结果,采用正交试验设计,以分流比与排沙洞典型断面的流速为优化目标,对旋流排沙渠道的关键体型参数进行优化。通过极差分析与方差分析得到各因素对分流比、起旋室中心和排沙洞出口断面流速3个目标函数的影响程度与各目标函数对应的最优因素水平:排沙洞直径是影响3个目标函数的最主要因素,其中,起旋室出口宽度与排沙洞直径是影响旋流排沙渠道分流比与起旋室中心断面流速的主要因素;起旋室出口宽度、起旋室高度、排沙洞直径均为影响排沙洞出口断面流速的主要因素。并通过综合频率分析法得出旋流排沙渠道的最优体型参数:起旋室进口宽度为0.12m、起旋室出口宽度为0.02m、起旋室高度为0.20m、排沙洞直径为0.06m。（3）对比分析了体型优化前后旋流排沙渠道的分流比、流态、流速特性、排沙特性和淤积特性等水力性能。结果表明,正交试验设计能有效提升结构的优化效率,获得具有良好水力性能的旋流排沙渠道体型。当上游渠道来流量为60L/s时,优化后体型的分流比可低至9.2%;各断面最大流速由起旋室进口断面处的0.56m/s增加至排沙洞出口断面处的2.67m/s,增大了376.8%。表明旋流排沙渠道结构能够在有限的落差内显著增加水流流速,具有更强的挟沙能力,其水流条件更适合悬移质泥沙运动,实现了以较小的排沙耗水量获得较大流速与水流挟沙力的优化目标。此外,当上游来流量为14L/s时,体型优化前后的旋流排沙渠道对粒径为（0.075～3.0）mm泥沙的总体截沙率分别高达90%和88%,体型优化后旋流排沙渠道内部的泥沙淤积质量较原体型减少61.8%,其泥沙淤积问题得到明显改善。表明旋流排沙渠道具有良好的泥沙分选效果,可达到引清沉沙的目的。