天然气作为一种清洁能源已经走进千家万户并广泛应用,天然气开采后的脱水过程却十分复杂。超音速分离装置(简称SGS)引起了足够关注,它集合了膨胀过程、分离过程与压缩过程于一体,整个过程仅利用了天然气本身的压力降,无需任何外力做功。因此,该项技术具有良好的应用前景与商业价值。本文建立数值模型,通过模拟得到的最佳尺寸设计并制造了一种导流锥式超音速冷凝旋流分离器,建立实验平台研究操作参数与结构参数对分离效果的影响并根据理论公式,分别研究面积比与压比对喷管内部流场分布的影响,本文主要结论为：(1)本文建立的湍流模型与湿蒸气自发凝结模型可以反映实际流场与凝结状态,并建立新型轴流式旋流器三维几何模型,结果显示,轴流式旋流发生器较传统切向入口的旋流器相比拥有压力损失小与离心加速度大的特点,具有106g量级的离心力,保证了液滴在短时间内可以甩到喷管内壁面上。(2)设计了一种导流锥式SGS设备,建立三维模型预测喷管内部流场,改变结构参数实现最优结构,结果表明：压比为1.5时,最佳面积比为1.27,采取平齐式排液口结构,喷管内达到最大马赫数为1.19,最低温度可达234K。通过自发凝结流动Eulerian模型预测喷管内凝结状态,过饱和度S在喷管内的值始终大于1,在喉部形成大量形成凝结核心。(3)根据一维变截面等熵流的理论针对流场参数分布进行研究,结果表明：在相同压比情况下,面积比越小,越容易实现全喷管内的超音速流动,便于湿蒸气的冷凝。最佳面积比是在保证全超音速流的面积比中的最大面积比,此时不仅保证全喷管的超音速流,而且使得整个喷管内的温度最低,分离效率也最高。(4)建立实验平台,根据实验研究表明：固定面积比下,乙醇脱除率与露点降都随压比的增高先增大后减小,最佳压比为1.3,当面积比为1.27时,乙醇脱除率δETH为47.4%,露点降△Td为7.0K。在压比固定情况下,分离效果随面积比增大而减小,新型导流锥式SGS设备较内锥芯式SGS设备在乙醇脱除率上有所提高,在压比为1.3,面积比为1.27时,乙醇脱除率δETH提高了1.9倍。