我国垂直螺旋输送机的设计和制造技术很落后,主要原因有两点,一是垂直螺旋输送机理的基础理论研究薄弱;二是建立在上述理论基础上的高效垂直螺旋输送机的理论设计、结构设计、材料选用和制造工艺不完善等问题,而设计理论和方法尤为重要。本文采用理论分析和仿真试验相结合的方法,研究基于气固两相螺旋流的垂直螺旋输送机理及其设计理论和方法。主要研究成果如下:通过对同时处于气固两相螺旋流场、离心力场和重力场三种场的颗粒进行分析,得出当螺旋流场的影响大于离心力场时,流场为气固两相螺旋流状态,有利于颗粒的输送;当离心力场的影响大于螺旋流场时,流场为湍流状态,不利于颗粒的输送,形成气固两相螺旋流输送机理,并把该输送机理在垂直螺旋输送机中进行实现、分析和验证,推导螺旋流向湍流转变的临界螺旋转速公式,通过分析临界螺旋转速前后的输送量和功率,验证气固两相螺旋流输送机理的正确性。通过分析气相螺旋流流态的分布,利用螺旋输送机的流道特征和气固两相动力粘性系数,推导垂直螺旋输送机中气固两相雷诺数(Re)的公式,并利用E/L(Eulerian/Lagrange)数值模拟提出通过螺旋升角和旋流强度进行流态分析的方法,得到不同摩擦系数下的临界雷诺数。最后通过输送量和功率消耗的测定,验证基于螺旋升角和旋流强度方法的临界螺旋转速的正确性,以及基于临界雷诺数方法的临界螺旋转速的正确性,形成基于Re-E/L方法的气固两相螺旋流的流动判别方法。通过E/L方法和DEM+CFD耦合分析垂直螺旋输送机中气固两相螺旋流的流动特性,推导输送量函数和功率函数。对螺旋输送机中的喂料头进行分析,推荐在不同摩擦系数下使用的喂料曲面的曲线方程,并推导喂料头的转速公式。综合以上分析,得出一种高效的基于气固两相螺旋流的垂直螺旋输送机的设计方法,并通过实际工程的垂直螺旋输送机的模型,进行手册的颗粒群法、实际工程设计参数、本文设计方法的对比,结果证明本文设计方法能减少能耗、降低耗材,并能提高输送效率。通过对垂直螺旋输送机中颗粒的运动密度的研究,研究基于能量最小多尺度结构EMMS(the Energy-Minimization Multi-Scale model)的非均匀气固两相曳力模型,将其与气固两相DEM模型和离散元软件、计算流体力学相结合,建立基于多尺度结构的气固两相DEM模型,并采用上述模型及EDEM+FLUENT耦合的方法,对垂直螺旋输送机及其喂料头中的气固两相流进行研究,形成基于多尺度结构的气固两相DEM模型及其耦合仿真方法。本文通过理论分析、模型建立、仿真分析和试验验证的方法,研究基于气固两相螺旋流的垂直螺旋输送机理及其设计理论和方法,本研究成果可对我国垂直螺旋输送机和螺旋卸船机的研发、设计和制造提供设计思路,有助于大大提升我国螺旋输送机乃至螺旋卸船机向世界先进水平迈进的速度,同时,本文提出的基于气固两相螺旋流的螺旋输送机理是气固两相流研究中面临的一个崭新课题,具有很大的科学意义和理论价值。