水力旋流器是借助离心力场实现加速分离的高效通用设备，已被广泛应用在石油、化工、矿业、食品、造纸等众多领域。降低能耗与分离下限是现代工业发展对固液分离水力旋流器提出的更高要求，也是水力旋流器的重点发展方向之一。研究水力旋流器内多相流的流动行为，分析水力旋流器参数对其分离性能的影响规律，将为水力旋流器的优化设计提供科学依据，促进固液分离工程的发展。本文以双锥固液水力旋流器为研究对象，利用计算流体动力学（CFD）工具，模拟了双锥旋流器内多相流流场，分析了其流场特性，讨论了颗粒的流动行为，结合试验设计考察了双锥旋流器结构参数对其分离性能的影响，实现了双锥旋流器在凡口铅锌矿分级尾砂制备与单一高品位硫精矿生产中的应用。在时均化的纳维-斯托克斯方程基础上，应用雷诺应力湍流模型（RSM）、流体体积（VOF）多相流模型及混合（Mixture）多相流模型对直径100mm双锥30°（上锥体锥角）-10°（下锥体锥角）旋流器及单锥10°旋流器内液-气流场、液-气-固流场进行了数值模拟分析，并将模拟结果与实验室清水试验及分离试验进行了对比。结果显示，数值计算结果与试验结果具有较好的吻合性，证明了所选择的CFD数学模型的准确性及模拟的可靠性。对双锥30°-10°旋流器与单锥10°旋流器内的流场参数进行了对比研究，结果表明：旋流器锥体结构变化不影响流场参数的分布规律。在进料速度相同的情况下，双锥30°-10°旋流器内切向速度明显高于单锥10°旋流器，单锥10°旋流器内空气柱频繁的径向扰动使得两种旋流器内流体的径向速度大小相差不大，这种流场特性使得双锥旋流器可以达到降低分离粒度的效果。通过研究颗粒进入旋流器到形成稳定多相流场的过程中不同粒度颗粒在溢流与底流中的质量流率随时间的变化关系及不同瞬时时刻颗粒在旋流器内的体积分布特点，分析了旋流器内基于粒径大小的颗粒流动特性。结果表明：颗粒粒度越小，进入溢流管中所需要的时间越短；接近中位径粒度的颗粒在旋流器出口达到稳定质量流率所需的时间比其他粒度颗粒都要长；稳定状态下多相流流场中各粒度颗粒的分布特点是：颗粒粒度越细，越趋向于较均匀地分布于整个旋流器内，随着粒度的逐渐增大，在柱体及大锥体区域颗粒分布逐渐偏离旋流器中心并形成浓度偏析，粗颗粒紧贴在旋流器内壁呈“聚集态”的螺旋流动；旋流器内循环流中由于细颗粒的不断进入会造成一定程度上的颗粒累积，并形成一个环形的具有浓度梯度的高浓度区域，停止向旋流器内供入颗粒相，通过研究颗粒相从旋流器内流失的过程可以发现，动态循环流中不同粒度大小的颗粒具有不同的“逃逸”走向，细颗粒主要随溢流排出，随着粒度的变大，颗粒既能从溢流中排出也能从底流中排出，粒度进一步增大，颗粒只从底流中排出；模拟结果还表明：颗粒相是被连续相的径向流动夹带至溢流管中而形成的短路流；颗粒粒度越细，越快形成短路流，粒度越粗，越不会形成短路流及循环流。利用基于Yates算法的试验设计及CFD模拟，讨论了双锥旋流柱体高度、大锥体锥角、小锥体锥角、锥体接口直径等结构参数对分离粒度及能耗的影响。方差分析结果表明，对于双锥旋流器的分离粒度，影响的显著性顺序为：小锥段角度>上下锥段接口直径>大锥段锥角>柱体高度；对于旋流器内压力降，影响显著性顺序为：柱体高度>上下锥段接口直径>小锥段锥角>大锥段锥角，其中锥体角度对压力降、分离粒度是正影响，锥体接口直径与柱体高度对压力降及分离粒度是负影响。通过回归分析拟合了试验范围内旋流器分离粒度与压力降随结构参数变化的回归方程，相关系数分别为0.9918及0.9900。在所研究的双锥旋流器结构参数范围内，下锥段锥角10°，大锥段锥角30°，上、下锥段接口直径φ/D=0.7（D为旋流器直径），柱体高度H/D=2时，可以在较低的能耗下获得较小的分离粒度。设计了应用于凡口铅锌矿分级尾砂制备的双锥旋流器，工业应用结果表明，柱体直径相同的双锥旋流器相比于原单锥旋流器能有效降低分离粒度，明显提高了分级尾砂的产率。在凡口铅锌矿回收单一高品位硫精矿的重浮联合工艺设计中，根据实验室试验及数值模拟计算，选择双锥旋流器作为凡口铅锌矿高品位硫精矿生产的重选设备，可优先从粗硫精矿中分选出约一半（按回收率计）硫品位46.5%以上的硫精矿产品，单一硫精矿的生产显著提升了企业的经济效益。工业运行数据表明，设备运行可靠，指标稳定。