超音速旋流冷凝分离器作为一种新型天然气净化装置,集低温冷凝和旋流分离于一体,具有结构紧凑,投资费用少,能耗较低和无污染等优点；气体在超音速段的最低压力低于出口压力,温度低于在同一压比下透平膨胀机所能达到的制冷温度,等熵效率高。本文以降低压力能量损失以及使其适用于低压工况为目的,针对超音速冷凝旋流分离器结构设计、含湿气体在喷管内的凝结特性和气液两相流动以及提高装置分离性能的方法进行探索。论文的主要研究工作和结论如下：(1)基于一维变截面等熵流动的理论知识和数值计算软件,设计了一套适用于较低进口压力的超音速冷凝旋流分离器,确定了结构参数和操作参数对装置内部流动特性的影响,实现了进口压力为0.14 MPa时,喷管扩张段内静温均在250 K以下,最低静温达到231 K,且整个装置内并没有出现强激波。(2)建立并验证了含湿气体非平衡自发凝结流动的欧拉双流体模型,研究了操作参数和结构参数对含湿气体凝结特性的影响。结果表明,当进出口压比为1.4,进口温度为300 K,进口相对湿度为0.6,面积比为1.266时,喷管内液滴直径达到最大值1.12μm,此时的成核率为7.5×1018m3/s。(3) 结合VOF模型建立和验证了超音速冷凝旋流分离器内气液两相流动过程的数值模型,研究了液膜与喷管内超音速流动之间的相互影响。研究结果表明,在高速气流的剪切作用下,液膜的厚度沿喷管轴向逐渐变薄,液膜表面速度逐渐增大；同时,液膜破坏了喷管内的超音速流动状态。(4)设计并加工了一套超音速冷凝旋流分离装置,搭建实验平台,研究了实验装置在不同操作参数和结构参数下的分离性能。实验结果表明,增大进出口压比和旋流器出口角,装置分离效率先增大后降低。排液腔结构形式和倾角对装置的分离效率也有很大的影响,(α)型排液腔的分离性能明显优于(ｂ)型排液形式；随着排液腔倾角的增大,装置的分离效率逐渐降低。