本文采用Fluent数值模拟的方法对龙卷风式三旋内气固两相流动特性进行了模拟研究,从优化流场、降低分离器能耗及提高分离效率等角度,针对分离器内部件进行了结构优化及开发设计,主要涉及排气、排尘及造旋结构,最终提出了一种高效低阻新型龙卷风式三旋,并对其性能进行了模拟研究。以在役龙卷风式三旋为基准,基准结构内两相流的模拟结果为:分离器压降较高,其中喷嘴造旋区及稳流体区压降比重最大,分别占总压降49.38%和46.5%;喷嘴区颗粒短路流逃逸及稳流体区颗粒夹带返混问题比较突出,有待解决;分离器的极限粒径为10μm,10μm以下颗粒的分离效率有待提高。分离器内部件结构优化与开发设计的结论表明:(1)传统排气、排尘结构虽可提高分离器的分离效率,但分离器压降相应升高。为此开发设计了新型排气芯管结构即外伸段开缝芯管,研究发现当顶部侧出口取1%~3%引流率时分离器压降较低且分离性能较优。(2)喷嘴因其对气流的加速作用使其造旋效果明显优于传统造旋结构,且喷嘴定位角度是影响喷嘴造旋效果的关键因素。当喷嘴水平定位角度取值55°~60°、垂直定位角度取值40°~45°范围时,分离器内切向速度较高,分离性能最佳,而此时分离器压降相对较小。(3)喷嘴列数、行数及喷嘴直径对分离器性能的影响均取决于喷嘴总射流面积的大小,且喷嘴射流面积对分离器性能的影响具有两面性。其一,分离器压降与喷嘴射流面积的平方成反比,射流面积越大,分离器压降越低。其二,喷嘴射流面积增大,致使喷嘴射流速度下降,流场旋转强度下降,分离性能下降。基于内部件结构优化与开发设计,提出了新型龙卷风式三旋结构。主要结构特点为:造旋喷嘴采用两列六行布置,直径增加为Φ90×6 mm;采用外伸段开缝芯管,开缝数量为30,开缝旋向与芯管内气流旋向相同。较基准结构,新型分离器压降降低了9.28 kPa,分离效率明显提高,其中1μm颗粒的粒级效率由28.9%提高至68.04%,芯管外伸段开缝实现了微颗粒逃逸的有效控制。