水力旋流器是一种典型的非均相混合物分离设备,利用两相或多相之间的密度差进行机械分离过程,被广泛用于选矿、石油化工、环保、食品、医药等领域。水力旋流器内部为复杂的三维强旋流动,且空气柱是水力旋流器内所特有的现象,空气柱的存在对压力降、三维速度及颗粒运动产生影响,因此对空气柱及颗粒运动的研究是非常必要的。本文采用数值模拟的方法,对水力旋流器内部的流场进行研究,分析了不同操作参数对空气柱的影响;然后在旋流器内部注入颗粒相,对颗粒的运动轨迹、分离效率和湍流度进行了研究;最后,在旋流器中加入中心固棒结构,减小空气柱对颗粒运动的影响,提高小颗粒的分离效率。研究结果表明,空气柱是旋流器内部能量耗散的主要区域,入口液速,入口气液比和物料粘度等不同的操作参数对旋流器内的流场及空气柱直径影响不同,空气柱直径增加,旋流器内能耗增加,压力降也随之增加。采用随机轨道模型对旋流器内的颗粒进行追踪,不同入射点、不同粒径的颗粒运动规律不同,不同粒径的颗粒均会在旋流器顶板存在浓度堆积。空气柱及气液界面的存在使得小颗粒在中心区域湍流度较大,湍流脉动引起的湍流扩散不利于小颗粒的分离。在上述研究的基础上,在旋流器中心安装固棒,使其占据空气柱的位置,可以达到提高小颗粒分离效率的目的。在本文的水力旋流器结构下,10mm直径的中心固棒虽然增加了旋流器内部的流体流动阻力,但小颗粒的分离效率最高,综合分析该结构为最优。