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自由汇流旋涡形成过程有抽吸现象发生,存在比较复杂的气液两相耦合过程,这其中所涉及的埃克曼(Ekman)层耦合及演化机理是一个有科研价值的关键问题。针对上述问题,本文开展自由汇流旋涡Ekman抽吸演化机理及其实验研究,所涉及的主要内容如下:(1)基于多相流体体积(VOF)模型与湍动能-耗散(k-ε)模型,建立了面向汇流旋涡Ekman抽吸演化的气液两相动力学模型。基于上述模型,分析初始转动速度分量、排流量与Ekman抽吸过程的内在联系,并揭示相关流场分布规律。研究结果表明:初始扰动不同,汇流旋涡的吸气孔、抽气孔距离容器底面边界的高度保持不变;初始扰动加强,吸气阶段转速增加,Ekman边界层厚度及抽吸高度增加,抽吸、贯穿阶段Ekman抽吸现象减弱;初始扰动恒定,Ekman抽吸高度保持不变,与排流量变化无关。(2)基于有限元(FEM)与离散元(DEM)耦合计算方法,建立两相汇流旋涡Ekman吸卷过程CFD-EDEM模型。基于上述模型,研究汇流旋涡抽吸过程中的两相耦合动力学特性及其流场分布规律。研究结果表明:液固两相汇流旋涡Ekman抽吸颗粒的过程,在未达到抽吸阶段前,流场运动规律与气液两相的规律相同;抽吸阶段发生后,存在Ekman抽吸曳力抽吸液体表面颗粒,该抽吸曳力随颗粒所处涡核位置变化而变化。(3)基于粒子图像测速(PIV)技术,搭建面向自由汇流旋涡Ekman抽吸演化过程的观测实验平台。针对理论研究所取得的相关结论,进行了相应的观测实验,验证了本文所建模型及求解方法的正确性。上述成果对于冶金容器浇注、化工萃取分离、水利工程状态监控等工程领域的汇流旋涡主动控制具有重要实际意义。