作为一种新型水介质分选旋流器(Water-only Cyclone,WOC),三锥角旋流器(Three-stage Cone Water-only Cyclone,TWOC)拥有三段角度逐渐递减的锥体,改善了传统单锥角水介质旋流器(Single-stage Cone Water-only Cyclone,SWOC)分选效果差的缺点,广泛应用于选煤厂粗煤泥分选作业。众所周知,旋流器内三维旋转流场对其分选起决定性的作用,为了更好地探究特殊三段锥体给两种旋流器分选效果上所带来的差异及差异产生的原因,本文在实验室粗煤泥分选试验的基础上,借助CFD数值模拟和PIV技术对比分析了 TWOC和SWOC内部三维旋转流场(流线分布,空气柱,速度场,压力分布),并根据TWOC特殊三段锥体所带来的流场差异解释了两种旋流器分选效果差异产生的原因。同时,运用PIV方法获得的旋流器内真实流场也对CFD数值模拟的准确性进行了验证。通过粗煤泥分选试验,揭示了两种旋流器对粗煤泥分选效果的差异:SWOC溢流的产率和灰分均高于TWOC,底流的产率低于TWOC,灰分则高于TWOC。TWOC的分选精度明显高于SWOC,入选煤样和入料压力不会改变两种旋流器分选效果的差异。采用Stereo PIV技术,调整好合适相机采样频率,激光频率,曝光时间,拍摄张数,对两种旋流器在0.06 MPa,0.10 MPa,0.14 MPa压力梯度下的三维速度场进行拍摄。同时,构建合适的计算域,选择合适的离散方法、运算模型、定解条件和求解方法,对两种旋流器在3.3m/s,5.5m/s,6.8m/s入口流速(经压力折算)梯度下的清水流场进行CFD数值模拟。两种方法所得旋流器内部流场的流线分布,速度大小及分布均具有较高的一致性,证明了 CFD数值模拟的准确性。运用CFD数值模拟对两种旋流器内部流场进行详细对比分析,结果表明:TWOC锥体部分流体运动和空气柱的不稳定性均强于SWOC,TWOC锥体近壁面流层紊乱并且形成了两个二次涡流,二次涡流具有增大切向速度,加快轴向速度变化的作用;TWOC锥体部分切向速度和轴向速度数值均比SWOC小,SWOC锥体底部中心处形成向外径向速度峰值,内螺旋流横剖面积较大,引起SWOC在锥体底部有大量的流体折返进入内螺旋流,而TWOC则没有此现象;SWOC锥体部分的压力降比TWOC大,这部分的静压能除了能量耗散外,其余部分化为流体动能,导致SWOC锥体部分的流体速度要大于TWOC;锥体结构只对旋流器锥体部分流场有影响,对柱体几乎没有影响;锥体部分流场差异只与锥体结构有关,入口流速不会对两种旋流器的流线分布,速度分布产生影响,同时对速度场中切向速度,轴向速度数值差距没有放大或缩小作用。根据两种旋流器流场差异,分析流体运动方式,切向速度,轴向速度对分选效果的影响,进而对两种旋流器分选效果差异产生的原因进行了解释:切向速度的增加会降低旋流器的分选密度,但也一定程度上抑制了物料的松散;轴向速度的增加会降低物料的分选时间,对分选不利;近壁流层的紊乱和二次涡流均具有松散物料的作用,此外,二次涡流还具有降低分选密度,增加分选时间的作用。所以对于SWOC,粗煤泥在向下运动过程中得不到充分选,大量未经分选粗煤泥在锥体底部折返进入内螺旋流,粗煤泥在内螺旋流中也得不到充分分选,会有明显一部分不符合真实分选密度的粗煤泥进入溢流,造成SWOC分选精度很差。SWOC的真实分选密度在大切向速度的作用下要低于TWOC,但由于折返流的作用,造成其分配曲线所显示的实际分选密度要明显高于真实分选密度。对于TWOC,煤泥在向下运动过程中得到较充分地分选,锥体底部并不会有较多的折返流,TWOC的分选精度要明显高于SWOC,其真实分选密度则基本和实际分选密度无异。通过本文的研究验证了CFD数值模拟的准确性,获得了特殊三段锥体结构对TWOC内部流场的影响,从流场层面揭示了TWOC分选效果优于SWOC的原因,丰富了TWOC分选理论,为其实际应用提供坚实的理论基础。