超音速旋流分离技术是一种集冷凝与分离功能与一身的新型脱水装置,具有广阔的研究前景。因其优点明显,国内外学者对其进行了大量的研究工作。但主要研究对象都是轴向流动的流动过程,较少涉及考虑旋流的影响。因此,有必要对超音速旋流中的气流流动特性及相变凝结过程开展系统研究,为先旋流后膨胀型超声速旋流分离器的性能提高提供理论支撑。本文在调研国内外文献的基础上,主要研究结论如下:首先,以甲烷-水蒸气双组份混合气体为例,结合超声速旋流分离器的流场特性和凝结特性,采用数值模拟的方法,对超声速旋流分离器的结构进行了优化,进一步提高了分离效率。然后,通过建立三维的旋流器数值模型并进行求解,分析了不同入口压力、入口温度、压损比下超声速旋流分离器的流场特性。研究结果表明:入口压力和入口温度对激波产生位置的影响较小,而压损的影响较大;提高压损比会使激波的位置向分离器的后方移动;适当的提高压损比可以使气体能够更大程度地在超音速喷管内等熵膨胀,有利于提升超声速旋流分离器的分离效率。最后,建立了双组份气体的凝结相变模型,研究了超声速喷管中混合气体的凝结流动规律。研究表明:在其他条件相同的情况下,降低进口温度或提高入口压力都可以使Wilson点前移,提高成核率;背压虽然对凝结程度影响不大,但会影响凝结区域的位置。所以,通过给定合适的入口温度和入口压力可以提高混合气体的凝结程度,同时通过调整背压可以使凝结成核区域处于有效的分离区内,继而可进一步提高超声速旋流分离器的分离效率。