超音速旋流分离器将膨胀制冷和气液分离处理过程集中在一个管状装置中完成混合气体的分离,具有结构紧凑、无转动部件和操作简单等优点。超音速旋流分离器结构并不复杂,但内部的流动涉及高强度旋流、超音速流动、凝结相变及气液分离等问题,流动现象十分复杂,因此需要深入研究相关过程,揭示工作机理,为装置的优化提供技术参考。本文主要通过基础理论分析、数值模拟相结合的研究方法,结合气体动力学、统计热力学、流体力学等相关知识,对超音速旋流分离器超音速旋流特性、凝结相变特性及气液分离特性进行研究,主要研究工作如下:(1)第二章通过理论分析确定了超音速旋流分离器中Laval组件的整体结构设计方法,根据具体工况确定了喷管收缩段和喉部尺寸;通过数值计算分析了喷管扩张段扩张角对喷管内部流动的影响,发现在无激波发生时,喷管的制冷特性随扩张角的增大而有所改善,但扩张角越大,喷管内越容易发生激波,而激波不利于凝结相变。通过数值计算确定了扩张角大小为10°。(2)第三章通过分子动力学解释了凝结相变中的成核过程,数值模拟了喷管内的凝结情况;并基于分子动力学研究确定了凝结相变模型,通过实验验证了模型的可靠性。(3)第四章将气体凝结成核模型和液滴生长模型以UDF形式嵌入现有的欧拉双流体模型,建立超音速条件下自发凝结流动模型,并利用该模型计算分析了水蒸气—空气混合气流的凝结流动参数沿喷管轴向的分布规律,研究了进口压力、出口背压等操作参数对凝结流动的影响。计算结果表明出口背压较大时,喷管内出现激波严重破坏气体的凝结,不利于混合气体的分离;入口压力越大,水蒸气的凝结率越高,但在较小幅度的压力变化下,凝结率变化并不明显;水蒸气开始凝结的位置随入口温度的降低向前移动,降低进口温度有利于提高凝结率,并进一步提高了空气中水蒸气的脱除效率,但温度过低会出现管壁结冰,反而降低混合气体的分离效率。(4)第五章研究了螺旋叶片倾斜角度对超音速分离性能的影响。设计了螺旋叶片倾斜角分别为7.16°、20.65°、32.13°和41.32°的四种结构的旋流发生器,螺旋叶片的数目均为6片,与Laval喷管组成四种结构的超音速旋流分离器;利用建立的数学计算模型模拟了不同结构装置的凝结流动情况。计算发现分离效率随倾斜角的增大先升高后降低,叶片倾斜角为32.13°时的分离效率最高。