为适应高效分离装备的兴起,根据陆上与水下气液分离的工作环境,对第一代柱状二级旋流气液分离器进行改进,分别提出适用于陆上分离的柱状二级旋流气液分离器A型与适用于水下分离的柱状二级旋流气液分离器B型设计方案。该分离器基于传统旋流气液分离器,通过延长升气管为气液两相提供分离场所,继而充分利用一级旋流的剩余动能使其在升气管中形成二级旋流,以此进一步提高气液两相分离效率。以多相流中气液两相流相关理论为指导,通过数值模拟与实验研究相结合的方法,对柱状二级旋流气液分离器A、B型两种结构在不同入口结构下的流场特性与分离特性进行探究,尤其对分离器在低气液比的特殊工况下的工作特性进行着重分析。该研究对国内高效气液分离装备的设计与制造具有借鉴意义。主要研究内容与结论如下:经过对国内外不同类型旋流气液分离装备的充分调研,对第一代柱状二级旋流气液分离器进行6处改进,使其生产成本更为经济、对现代气液分离与集输要求更加适应。同时增加了水下分离设备的改进方案,排液管的内置使得分离之后的气、液两相均可从分离器顶部排出,较大程度节省了水下海床开挖的施工量。从柱状旋流气液分离器分离性能恶化的根本原因着手,以液滴在气相旋流场中的破碎特性为切入点,揭示了液滴从切向入口进入分离器之后通过气相出口直接逃逸为此类分离器性能恶化的根本原因,而非液滴在分离器内部受旋流剪切继而破碎。基于上述理论,根据分离器较为规则的结构形状将Navier-Stocks方程所在坐标系进行转换,对分离器内部气相旋流场的压力分布进行数学建模,同时归纳出分离器筒体直径设计的参照标准。模型建立之后与已有实验结果对照并对其适用性进行验证,模型计算结果与实验结果具有较好的一致性。以主分离区的剥离作为简化手段,采用ANSYS ICEM进行更加规则的流体域网格划分,通过ANSYS Fluent进行数值迭代计算,对分离器内部气相流场在不同入口结构与分离器类型下的变化规律进行数值模拟。其结果表明切向入口缩颈比的增加（即切向入口截面积增加）对分离器内部的气相流场具有稳流作用,0.2的入口缩颈比不应采用且入口缩颈比为0.7以上时分离器内部流场最为稳定。分离器内置排液管之后增加了其外壁面带来的壁面摩阻效应,故内置排液管的B型分离器结构在各个截面上的速度均小于其他结构。内置排液管与入口缩颈比过小均可使得分离器入口处的动能无法顺利传至底部,因此在分离器底部会产生气相空间的反向运移。采用实验研究的手段,对柱状二级旋流气液分离器在低气液比的特殊工况条件下的工作特性进行重点研究,并着重对其压降变化特性以及入口段流动形态进行分析。根据实验现象与实验数据,归纳出2大类、7小类的入口段流动形态,并结合捕捉的压降信号对入口段流动形态的演化进行分析。提出分离器整体压降的概念,并对其进行波形分析、离散分析及定量分析,由分析结果归纳并提出针对柱状二级旋流气液分离器在低气液比的特殊工况下通过压降信号来判断其入口段流动形态的10项准则。此项工作为该分离器的自控系统发展提供了指导作用,同时为分离器的安全运营以及事故预判提供了参考。