在天然气集输与处理过程中水和液烃的存在会产生负面影响。因此,天然气脱水脱烃是天然气生产必须进行的环节。目前,脱水脱烃方法主要包括吸收法、吸附法和低温分离法等,这些传统脱水脱烃方法工艺流程复杂、设备多、能耗高、投资较大。来源于航空技术的超音速脱水脱烃技术,其设备结构和工艺流程简单、体积小、能耗低、分离效率高,对天然气进口工况适应性强,能克服传统方法的局限性。因此,超音速脱水脱烃技术在天然气处理方面具有潜在的、广泛的应用前景。本论文以实际天然气脱水脱烃要求,探讨了超音速喷管的收敛段、扩张段以及分离段的基本结构形式。论文研究中借鉴风洞设计改良了喷管扩张段基本形状,重点是能够消除喷管中超音速气流加速过程产生的膨胀波。论文在基于计算流体力学基本理论的基础上,采用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics,通过建立超音速分离器的三维物理模型,进行了合理的网格划分、边界条件设定,选择了恰当的计算模型和求解方法,针对重点筛选的8种超音速喷管型面结构进行流场分析,通过分析天然气入口温度、压力以及处理量对喷管流场的影响规律,最终获得了超音速喷管的最佳结构。本论文在分析超音速流场中天然气凝结模型的基础上,对超音速分离器进行了整体的流场模拟和分析,探讨了天然气凝结对喷管流场的影响规律,分析了液滴成核率、分离部件结构对分离性能的影响,获得了最佳分离部件结构参数,并分析天然气进口参数对分离性能的影响。同时,本论文就改进后的超音速分离器与工业过程中广泛采用的超音速分离器的性能进行了天然气脱水脱烃效果预测与对比,表明了对超音速分离器扩张段改进后可获得更合理的温度与压力以及更多的液烃等。