本文设计的两级一体化油水分离旋流器的基本结构是在旋流器串联的基础上,巧妙利用内锥的形式,将一个旋流器嵌入在另一个旋流分离器内,经整合后,可在一个旋流分离装置内完成两次分离任务。将整体结构分为内部旋流分离二段与外部旋流分离一段,旋流分离二段的结构尺寸根据以往研究获得,并对旋流腔部分设计七种不同旋流腔结构形式,经模拟对比分析七种不同旋流腔形式的压力损失、速度矢量以及分离效率,选择抛物线旋流腔形式。而外部旋流分离一段的各结构参数通过正交试验确定,研究分析环形旋流腔长度、环形大锥段角度、环形小锥段角度、旋流分离一段主半径以及环形底流口半径这五个因素对压力降以及分离效率的影响规律,得出外部旋流分离一段的最佳结构参数。选出初始结构WX-0、正交试验中两个较优结构WX-1与WX-2和正交试验得出的最佳结构WX-3,对比分析了这四种结构的压力降、相体积浓度、速度、效率、一级分离效率以及底流口含油率的影响规律。对正交得出的最佳结构WX-3进一步分析了分离器内部结构压力损耗、得出了不同入口流量、不同颗粒平均粒径以及不同分流比对分离效率的影响规律。针对WX-3结构加工了有机玻璃样机,并进行了室内PIV试验,利用示踪粒子观察优化后WX-3结构内部的流体运动规律,探究操作参数改变对分离器内部流场的影响,得出操作参数改变对分离器轴向速度、径向速度以及对溢流压降的影响规律。