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水力旋流器是利用离心力场实现分离的高效分离设备,具有结构简单、操作方便、分离效率高、生产能力大等优点,广泛应用于选矿、化工、生物等众多工业领域。旋流器结构简单,但内部流场却十分复杂,设计与操作精度要求高。分析旋流器内部多相流流场规律,掌握旋流器参数与流场分布之间的关系,是旋流器设计和应用的关键所在。本文通过计算流体力学(CFD)方法,对水力旋流器内气液和液固湍流流场进行数值模拟研究。在时均纳维斯托克斯(Navier-Stokes, N-S)方程之上建立旋流器流场的湍流描述,采用雷诺应力湍流(RSM)模型、自由表面多相流动(VOF)模型和斯托克斯拉格朗日(DPM)模型对经典75mm旋流器内气液和液固流场进行了数值计算,并将模拟结果与文献数据进行比较,发现计算结果和文献实验数据吻合良好。同时利用激光粒子测速仪(PIV),测量了旋流器内全流场瞬时的速度,并将实验结果与CFD计算结果进行对比,计算结果和实验结果相吻合,进一步确定CFD计算模型的准确性。利用所建立的数学模型,考察了旋流器流场形成和发展过程,得到了旋流器内速度场与压力场的分布规律,发现旋流器内不同部位空气柱非定常运动规律各不同：圆柱段与底流口附近的的空气柱,一旦形成后,其直径和形态就不再随时间而变化,属于稳态流场；而圆锥段的空气柱直径和形态随时间变化则十分剧烈。同时考察了入口速度对空气柱稳定性的影响,发现入口速度增加导致旋流器内流体切向速率增加,从而导致中心区域压力下降,空气柱直径增大,但空气柱的非定常流动规律不受入口速度变化的影响。结构参数是影响旋流器分离性能非常重要的因素,采用所建立的多相流数学模型,对旋流器几何结构参数进行了详细的分析,重点考察了旋流器(直径140mm)结构参数变化对旋流器内流场发展、压力降、分流比和分级效率的影响。结果表明：溢流口直径对流场的影响最大。整体来看,空气柱的直径大小随着溢流口的直径增大而急剧增大,当溢流口直径达到100mm时,整个旋流器内空气柱占据了大部分；随着溢流口直径增加,空气柱趋于稳态运动,当溢流口直径超过65mm时,空气柱在旋流器内一旦形成就不再变化；通过分离效率计算发现溢流口直径为50mm分离效率最高。研究还考察了进料管直径、溢流口直径、溢流口插入深度、底流口直径、柱段长度和锥角这些因素对旋流器性能影响。通过考察环境压力对旋流器分离性能影响,发现环境压力的变化会对旋流器的流场和性能产生重要影响。通过对旋流器流场的研究,发现环境压力的变化会影响旋流器内空气柱的结构和形态,继而影响空气柱内以及空气柱附近的流场,造成旋流器速度场的变化,从而导致分离效率的改变；同时通过不同大小旋流器研究对比,发现环境压力对大直径旋流器的影响大于小直径旋流器。基于实验室与模拟计算研究结果,设计了应用于高原低气压环境的旋流器组,旋流器组由两级旋流器构成,并成功应用于青海盐湖钾肥股份有限公司年产10万吨氯化钾生产线。工业运行数据表明,产品中硫酸钙得到有效脱除,精制后产品质量满足工业氯化钾产品要求。