旋风气液分离器作为一种利用气液两相流体的旋转运动分离气流中的液滴的设备，广泛应用于环保、石油、化工、材料等许多领域，具有结构简单，维护方便，造价低等优点。这些特点使得对气液分离器的研究越来越受到重视。本文针对机械蒸汽再压缩系统中现有气液分离设备分离小粒径液滴效率低下和对压缩机保护不足的缺点，设计了工作在负压下的双级旋风分离设备方案，并利用Fluent进行了一系列的研究和改进，以期获得更好的分离性能。针对旋风分离器内三维强旋流的特点，采用雷诺应力模型对双级气相流场进行计算，得到了双级旋风气液分离器内部速度场、压力场以及压降特性；采用了基于拉格朗日观点的离散相模型对不同进口速度下液滴的分离效率进行了计算，并对不同粒径液滴在分离器内的运动轨迹进行了研究。在上述结果基础上，对双级气液分离器进行了结构优化：第一级上部添加升气管、第一级中部添加3/4圆环形挡板、将进气口改为矩形、改变第二级分离器尺寸，并分别对改变结构之后的压降和分离效率进行了计算。分析计算结果，发现以上结构改变均可对双级分离器的压降和分离效率产生影响，但是分离效率的提高往往伴随着压降的提高。为了全面衡量结构改变对分离特性的影响，定义了气液分离器综合性能参数λ，得到了每种结构改变的最佳尺寸，以此得到优化结构。将优化结构与文献中高效气液分离器进行比较，优化结构具有压降更低，分离效率更高的特点。当进口速度为25m/s时，压降比文献结构低97.7Pa，而分离效率高1.6%。