旋风分离器被广泛应用于能源、化工、环保、冶金等众多领域，它作为一种重要的气固分离装备，具有结构简单、高效、能够承受苛刻工况等众多优点，甚至在某些极端的工况下，旋风分离器是唯一的一种可用的商用除尘和分离设备。尽管如此，传统的旋风分离器针对粒径小于3~5μm的颗粒分离效率仍然低下。　　要想提高旋风分离器对小颗粒物的分离效率，需要对旋风分离器的结构尺寸进行修改，而要想知道修改后的结构是否满足要求，就必须要深入地了解和研究旋风分离器在不同结构下内部的流场的分布规律以及气固两相分离特性。本文利用数值计算方法并结合实验对不同结构下的旋风分离器内部的流场进行了数值计算分析，并且研究了旋风分离器气固两相分离特性。数值计算分析时，湍流模型采用能够准确预测强旋流场各项异性特点的雷诺应力模型（RSM），计算方法采用SIMPLIC算法，压力项采用 PRESTO！离散格式，其他各方程离散采用二阶迎风格式。针对气流中的固体颗粒，采用单向耦合模型及随机轨道模型。本文也利用数值计算方法针对不同侧向入口方式、防返混锥以及恢压叶片对旋风分离器的分离性能影响进行了预测。实验研究包含了旋风分离器的压力测量和分离效率的测定，即利用压力表和流量计测量旋风分离器入口处的压力与入口流速的关系，测量计算出了在不同入口流速下旋风分离器的压力损失，并采用称重法得出旋风分离器的分离效率。结果表明：　　1、运用雷诺应力模型（RSM）计算出来的结果与实验数据相比，两者能够较好地吻合，从而也说明，数值计算方法可以用来研究不同结构对旋风分离器内部流场及分离特性的影响。　　2、在旋风分离器灰斗入口处只加防返混圆台，在灰斗入口处依然会出现上行流，这并不能很好地利用下行流将颗粒带入灰斗内，但是对灰斗抽气能够消除灰斗入口处的上行流，从而减少灰斗内颗粒返混。对防返混圆台结构进行优化，发现圆球面防返混圆台比平面防返混圆台更能使流场平稳。利用DPM模型预测旋风分离器分离效率，发现圆球面防返混圆台并灰斗抽气能够显著减少粒径1~3μm颗粒返混，并得到了本文尺寸下旋风分离器中防返混锥最佳有效截面积比0.4和灰斗抽气率17％。　　3、本文提出了一种设计恢压叶片的设计思路，即可以通过计算没有恢压叶片下旋风分离器排气管内流场，得出气体粒子迹线，通过迹线进行叶片建模。通过数值计算发现，加入恢压叶片可以降低旋风分离器内准强制涡的旋转强度，将排气管内高速旋转的气流一部分转为轴流，从而使静压得到回升，降低旋风分离器入口总压，节约约20％能耗，而对旋风分离器的分离效率没有影响。　　4、旋风分离器入口总压及压力损失与入口流速平方成正比，当塑粉以恒定质量流注入，随着入口气体流速的增加，分离效率呈先增加后减小，最后又增加的变化趋势。入口气体流速恒定，随着塑粉注入质量流的增加，即入口塑粉浓度的增加，分离效率呈增加趋势。　　数值计算方法还能用来捕捉难于观察的液体破碎过程，对液体破碎机理的认识具有直观地指导作用，弥补了传统理论研究的不足以及实验研究繁琐的缺点。数值计算结果与实验数据对进一步认识不同结构旋风分离器及操作条件下旋风分离器分离机理具有一定指导作用。　　针对本文中实验用的工业旋风分离器，本文也利用了因次分析方法，对旋风分离器进行了相似放大分析。通过公式推导及数值计算分析结果可知，若要保证旋风分离器内部气体动力相似，需要旋风分离器内部气体切向速度与入口流速比值随着径向位置与筒体半径比值变化曲线一样。通过对单一旋风分离器在不同入口流速下流场分析可得，在具有较高入口流速下，旋风分离器具有较强的自模性，即增加入口流速，旋风分离器内部气体动力特性是越趋于相似的。在以入口雷诺数相同和几何相似准则下放大设计的旋风分离器，当筒径过大时，旋风分离器入口流速过小，并不能满足旋风分离器的自模性，从而并不能保证旋风分离器内部气体动力相似。以入口弗劳德数相同和几何相似准则放大设计的旋风分离器内部气体动力并不相似，这是由于虽然弗劳德数准则考虑了惯性力和重力的作用，但它主要是用于有自由液面的流场动力相似放大分析，通过本章分析可得出，以弗劳德数为准则进行旋风分离器相似放大分析是不适用的。