水力旋流器是一種利用離心力場加速顆粒分離的設備，在化學工程、礦物加工、環境保護、石油和食品生產等工業領域得到廣泛應用[1]、[2]、[3]。水力旋流器中的顆粒分離效果取決于不同大小或密度顆粒的運動行為[4]。粗顆粒在離心力作用下向壁面移動并通過出料口排出，而細顆粒在流體阻力作用下向中心移動并通過旋流器排出[5]。由于水力旋流器結構的固有缺陷，部分流體沿著頂蓋和旋流器表面流動，直接從旋流器排出，或者沿著壁面流動，直接從出料口排出[6]、[7]。因此，部分隨流體移動的顆粒未經分離就直接從旋流器或出料口排出[8]。這導致粗顆粒在溢流中錯位，細顆粒在底流中錯位，從而限制了分離精度。因此，優化水力旋流器的結構參數以減少顆粒錯位對于提高分離精度至關重要。

與傳統的圓柱錐形水力旋流器不同，圓柱形水力旋流器的主體由圓柱段組成，沒有錐形部分。因此，圓柱形水力旋流器的底部具有獨特的平底結構，便于從圓柱主體過渡到出料口。圓柱形水力旋流器的獨特結構相比傳統圓柱錐形水力旋流器具有明顯優勢，主要體現在：更高的分類效率、更少的細顆粒錯位、較低的出料口堵塞風險以及更低的磨損。因此，圓柱形水力旋流器廣泛應用于顆粒粒度分布廣、濃度高和密度高的分離場合。

然而，圓柱形水力旋流器存在粗顆粒錯位現象較為嚴重的問題。為了解決這一問題，侯等人設計了圓柱錐形-圓柱形（CCC）型水力旋流器和多級圓柱（MS）型水力旋流器[9]。通過調節水力旋流器中的顆粒循環流，實現了減少粗顆粒錯位和提高分離精度的目標[10]。但底流中亞細顆粒的回收率有所增加。盧等人[11]提出，增加圓柱段的高度可以提高處理能力、減少粗顆粒錯位并提高分類效率。周等人[12]使用DDPM模型研究了工業規模水力旋流器的分離行為，發現圓柱段的高度和進料濃度顯著影響粗顆粒的錯位和分類效率。侯等人研究了分離空間和底部結構對圓柱形水力旋流器分離性能的影響[13]、[14]。結果表明，增加分離空間可以減少溢流中粗顆粒的錯位，從而提高分離精度。而底部結構主要影響中等顆粒的分離行為，對粗顆粒錯位的影響較小。

旋流器影響水力旋流器中循環流和短路流的形成，進而影響溢流中粗顆粒的錯位和分離精度。研究表明，在水力旋流器內部插入旋流器可以抑制短路流，防止顆粒未經分離就直接隨溢流排出[15]。然而，旋流器的插入深度過大會減少分離空間，從而降低分離效率。倪等人[16]提出，旋流器的插入深度應與顆粒密度成正比，以減弱顆粒錯位。通常認為旋流器的插入深度應在入口體高度和圓柱段高度之間。趙等人[17]指出，厚壁旋流器可以抑制預分離區的短路流和循環流。盡管如此，在軸向速度波區仍會形成新的短路流和循環流。唐等人[18]基于中心復合設計方法發現，旋流器對分離精度的影響順序為：旋流器直徑 > 旋流器插入深度 > 旋流器厚度[19]、[20]。為了抑制短路流和提高分離效率，許多研究人員對特殊形狀的旋流器進行了廣泛研究，包括倒錐形旋流器、錐形旋流器、弧形旋流器和罩形旋流器[21]、[22]、[23]、[24]。其中，倒錐形旋流器、弧形旋流器和罩形旋流器可以提高分離效率。王等人[25]用管狀膜替換了傳統旋流器，新旋流器對分離效率的影響較小，但顯著提高了底流濃度。遺憾的是，關于旋流器的研究主要集中在傳統的圓柱錐形水力旋流器上，對圓柱形水力旋流器的研究較少。此外，目前尚不清楚從圓柱錐形水力旋流器得出的某些結論是否適用于圓柱形水力旋流器。

近年來，一些先進的檢測方法被應用于研究水力旋流器中的流場和顆粒運動行為，促進了人們對分離過程的理解[26]。然而，這些方法往往存在設備成本高和測試周期長的缺點[27]。隨著高性能計算技術的進步，計算流體動力學（CFD）在水力旋流器研究中的應用越來越廣泛[28]。水力旋流器中的流體表現為具有強旋轉剪切的湍流，湍流場具有各向異性。雷諾應力模型（RSM）和大渦模擬（LES）都能準確預測各向異性湍流現象[24]、[29]。不過，LES模型需要更細的網格和更小的時間步長，這要求更高的計算性能[30]。相比之下，RSM模型在計算精度和效率之間取得了平衡，因此在水力旋流器的數值研究中得到廣泛應用。在正常運行過程中，水力旋流器的內部環境是一個典型的氣-液-固多相流系統。多相流描述方法包括：歐拉-拉格朗日方法（如離散相模型DPM）；歐拉-歐拉方法（如體積流體模型VOF、混合模型和雙流體模型TFM）[31]、[32]、[33]。其中，TFM模型充分考慮了流體-顆粒和顆粒-顆粒之間的相互作用，理論上可以在任何條件下計算水力旋流器的分離過程[34]。Ghodrat等人[22]使用TFM模型研究了旋流器直徑、長度和形狀對分離性能的影響。季等人[35]、[36]利用TFM模型研究了顆粒密度和進料體幾何形狀對水力旋流器流場和分離性能的影響。

為了解決圓柱形水力旋流器中粗顆粒錯位的問題，基于圓柱形旋流器設計了四種新型旋流器。使用經過驗證的TFM模型模擬了不同旋流器水力旋流器的流場特性和分離性能。研究了不同旋流器水力旋流器的壓力、軸向速度、切向速度、湍流強度、矢量分布、分離性能和顆粒空間分布。本研究有望為旋流器的優化設計提供參考。