我国深海天然气资源极为丰富,深海天然气开采对保障我国能源安全具有重要战略意义。天然气井产出物中一般含有凝析液,若在海底对气井产出物进行气液分离,不仅可以避免由于深水高压低温环境而产生水合物造成管道冰堵的情况,还可以降低管道输送过程中发生段塞流的风险。因此,研究水下气液分离技术对天然气管道的安全输送具有重要意义。为实现天然气凝析液的高效分离,本文对高压下直流式气液旋流分离器的数值模拟方法、分离规律及优化方法进行了系统研究,以期为管道的安全输送提供保障。在数值模拟方法方面,(1)本文全面分析了直流式气液旋流分离器内部复杂的两相(气相和液相)三场(气体、液滴和液膜)流动过程。在综合考虑液滴沉积(形成液膜)、液膜流动和液滴夹带等复杂流动与传质现象的基础上,基于欧拉-拉格朗日方法和壁面液膜模型,建立了能够较准确地描述直流式气液旋流分离器内气液两相分离过程的数学模型。(2)针对传统压力速度耦合算法在求解复杂计算区域时存在的收敛速度慢、健壮性差等问题,基于开源计算流体力学软件OpenFOAM,构建了基于任意多面体网格的高效健壮压力速度耦合算法—IDEAL,并将其应用于旋流器的数值计算中,大幅提高了计算效率并增强了计算过程的稳定性。计算结果表明,在不同网格数、入口流速及湍流模型下,本文发展的任意多面体网格IDEAL算法在收敛性和健壮性方面均优于SIMPLE和SIMPLEC算法。在分离规律及优化方法方面,(1)基于本文建立的数学模型和发展的数值方法,对高压下直流式气液旋流分离器的分离规律进行了深入研究。首先釆用雷诺应力模型在计算网格单元尺度上对纯气相运动进行了求解,详细分析了旋流器内气流分布特性。然后,基于欧拉-拉格朗日方法和壁面液膜模型,采用耦合计算方法对旋流器内气液两相流动进行了计算,分析了液滴的运动特性以及液膜的形成和流动特性。最后,研究了高压下叶片结构参数对旋流器分离性能的影响规律。(2)将数值模拟、支持向量机与NSGA II算法相结合,提出了适用于直流式气液旋流分离器导流叶片的多目标优化方法。采用该方法对旋流器导流叶片的结构参数进行了优化,得到了旋流器分离性能的Pareto最优解集,研究结果可为决策者选择合适的导流叶片参数提供重要的理论指导。