在集输过程中,天然气中的水与重烃、CO₂、H₂S形成的酸性水合物会堵塞和腐蚀管道及设备,限制了天然气远距离输送,因此在集输前必须对天然气进行脱水处理。超音速旋流分离器是集冷凝与分离功能于一体的新型脱水装置,具有广阔的应用前景。出于安全及经济原因考虑,使用加湿氮气代替天然气对超音速旋流分离器的流场特性和脱水性能进行了研究。以13.2 MPa的饱和氮气作为研究介质,利用空气动力学、热力学等基础理论,对超音速旋流分离器的结构进行了设计。在装置结构设计的基础上,研究了不同压损比对超音速旋流分离器脱水性能的影响。利用数值方法分析了超音速旋流分离器内部的流场分布、液滴路径、凝结液化过程及影响气体液化过程和气液分离过程的因素。在实验研究和数值分析的基础上,可以得到以下结论:（1）超音速喷管的结构对气体的自发凝结过程有一定的影响,喷管内的湿度分布与收缩段结构无关,与扩张段结构有关,喷管出口处湿度的大小取决于喷管出口直径。（2）激波的位置对超音速旋流分离器的脱水性能有重要的影响。随着压损比的增加,激波位置向超音速喷管下游移动,导致了气体能够更大程度地在超音速喷管内等熵膨胀,有利于超音速喷管的制冷性能的提升。（3）在离心力和惯性力的作用下,液滴的流动具有三种典型的轨迹。液滴直径、气液分离面积比和旋流器的叶片数量对脱水性能具有显著的影响。（4）当其他条件一致的情况下,分别增大入口压力、降低温度和增加入口气体的过饱度会导致Wilson点的位置前移,成核率以及液滴数目会增加。（5）提高压力损失能有效改善超音速旋流分离器的脱水性能。进出口压损比为50.76%时,露点降为15 K;当进出口压损比20.92%,露点降为7 K。提高压损比意味着喷管内气体的最小温度值降低,也就增大了气体的凝结深度,进而提高了脱水效率。