天然气是优质高效、绿色清洁的低碳能源，并可与可再生能源发展形成良性互补。但是水的存在给天然气的开采和集输过程造成了严重的影响。常规的天然气脱水方法，如固态吸附法、溶剂吸收法和膜分离法等不仅投资相对较高，而且工艺及设备结构复杂。此时，超音速分离技术作为一种环保、节能、高效、低成本的新型分离技术引起了国内外科研人员的关注。超音速分离器的理念形成于半世纪前，并且在随后的数十年里不断被改进。超音速分离器是利用拉瓦尔喷管，使流体先后经过喷管的渐缩段、喉部和渐扩段而使速度从亚音速变为超音速，同时在喷管内进行热量的交换，最终在喷管内形成凝液分离所需的低温冷凝环境，并通过扩压段回收压力能。此外，流体通过旋流发生器的旋流作用产生强旋流而使凝液附着在喷管内壁面，并通过排液结构排出而达到气液分离的目的。超音速分离设备具有结构紧凑、体积小、易加工、成本低、不易形成水合物、无转动部件、免维护、可迅速开停车等优点。国外该技术已成功用于天然气脱水和轻烃回收领域。国内尽管该技术已有应用，但由于国内气质和气源波动较大等问题推广较慢。
　　目前根据国内外对超音速分离器的研究现状，超音速分离器的研究主要还面临着以下问题:①旋流器和排液结构对流场和分离效率影响的研究鲜有涉及;②对喷管型面的研究未考虑旋流器和导流锥对流场的影响;③已有超音速分离器的分离效率低、正激波的产生及位置不易控制、流场内易产生反混;④采用二维数值模拟不能够准确反映喷管内流体的实际流场状态;⑤超音速分离器排液腔排出液体时会携带部分气体，需要将该部分气体加以回收并处理，增加了装置的负荷和复杂性;⑥对超音速分离器内流体强旋流的运动规律和边界层与激波相互作用的研究不足。本文针对上述问题对超音速分离器的内部流体流动和分离性能进行研究，并在此基础上对解决超音速分离器内边界层与激波相互作用造成的“堵塞”问题和提高分离效率的途径开展探索。建立了适合带导流锥的旋流器前置型超音速喷管和旋流器的结构型面模型;研制了新型循环超音速分离器，并提出流体自循环回流的分离方法;建立了表征超音速分离器内部超音速流体流动和旋转流动的数理模型、三维旋流超音速流动数值模型、超音速离散相耦合预测模型和边界层与激波相互作用的物理模型;搭建了实验平台对超音速分离器分离性能开展实验研究。论文主要研究内容及结论如下:
　　(1)建立适合带导流锥的旋流器前置型超音速喷管的结构型面模型。解决了旋流器与导流锥对超音速喷管结构型面和内部流场的影响。采用建立的三维数值模型对流场进行了分析，确定了本研究装置的最优结构型面为:0.5Din的稳定段长度、直线型渐缩段型面、圆弧型喉部过渡、等斜率的渐扩段型面和二级渐扩通道的扩压段。
　　(2)提出轴流式旋流器的成型方法，并建立轴流式旋流器的结构型面模型。建立四种不同的轴流式旋流器结构型面模型。研究表明:流体通过各旋流器均可产生较强的旋流强度，解决了目前轴流式旋流器结构型面单一的问题。在满足分离性能的前提下，具有圆弧型导叶片和幂函数型导叶片的喷管内部流场更加均匀。其中具有圆弧形导叶片的喷管内离心加速度衰减的最慢，喷管出口离心加速度相对较大，型面曲线更加圆滑，更便于设计和加工。
　　(3)建立超音速分离器内流体超音速流动和旋转流动的数理模型。通过流场分析表明:超音速流体发生激波后的温度、压力和密度均增加，流体总温不变、总压下降;数理模型与三维数值模型对比误差在9％范围内，可用于喷管的初始计算;由于超音速喷管内流体的粘性损失、导流锥的存在和剧烈收缩的结构型面影响，旋转流体运动在渐缩段和喉部具有无强制螺线涡的特征，渐扩段和扩压段内流体具有组合螺线涡的运动规律。此外，在MicrosoftDeveloperStudio软件中采用Fortran语言编制了喷管内流体流动参数和旋流器型面方程计算程序，在VisualStudio2017开发环境下采用C＃语言编制了喷管型面设计程序，提高了超音速分离器的设计计算和选型效率。
　　(4)研制出一种新型循环超音速旋流分离器，并提出自循环回流的分离方法，解决了排出凝液携带气体而导致后续处理的问题。研究表明:新装置利用在排液腔与旋转流体在渐扩段内形成的低压区间的压差，使含湿气体循环进入回流管，形成外部回流循环。导流锥可沿轴线前后移动而改变喉部流通截面积。通过调节回流管的直径、插入深度等结构，可改变喷管内流体的旋流强度、激波强度和位置、制冷温度等流场状态，提高了装置的适应性和适用范围。
　　(5)采用三维数值模拟对影响循环超音速分离器性能的结构和操作参数进行了研究。研究发现:轴向回流出口的装置具有更强的抗返混能力和制冷性能。切向回流出口装置内的旋流强度最大，但范围较窄且衰减较快，加工困难而不利于推广。随着压比的增加，激波向喷管出口方向移动，流体膨胀特性得到改善，同时压力损失也逐渐增大，轴向回流出口装置的回流推动力先减小后增加，切向回流出口装置的推动力先增加后减小。喷管内的制冷温度随着温度升高而升高，其他流体参数变化不大。本研究确定的最佳回流结构为:Dreflow=24mm，Dinsert=7mm，LDepth=30mm和β=55°。
　　(6)建立液滴离散相耦合的三维预测模型，并采用实验数据对模型的准确性进行了验证。经对喷管内颗粒分离效率和运动轨迹的预测和分析发现:建立的预测模型与实验数据具有较好的一致性。液体颗粒的分离效率随着液滴直径的增加而增加，2μm～4μm的颗粒直径是颗粒分离的敏感区。装置内颗粒的运行轨迹主要有液滴附壁、液滴直接进入排液腔体和液滴通过气流携带逸出三种运动轨迹。
　　(7)建立边界层与激波相互作用的物理模型，探索了喷管内边界层与激波的相互作用，提出新型圆筒形排液结构提高装置分离效率和防止边界层与激波相互作用导致流体“堵塞”的有效方法。研究表明:圆筒形排液结构的优势在于具有多个开口，即具有较大的排液面积，当激波位于喷管渐扩段内时，产生的高压会使更多流体进入排液开口，增大了喷管的流通能力。此时喷管内压力下降，激波减弱或消除，总压损失减小。该方法能够使流体在喷管内全部为超音速，增强了喷管流场稳定和分离性能。
　　(8)对影响超音速分离器分离性能的操作和结构参数开展实验研究。研究表明:回流通道可有效改善流场并提高装置分离性能。入口温度对装置性能影响较小。随着压比的增加，液滴成核率、离心力和速度的增加导致装置分离性能表现出与数值模拟不同的变化趋势，即先增加后减小，在Rnp=1.4时具有最大值。随着旋流器出口角增加，装置分离性能呈现先增大后减小的趋势，在β=55°时达到最高;装置分离性能在LDepth=30mm时达到最大，当LDepth=20mm时达到最小;并且随着回流管插入直径的增加具有最大值和最小值，当Dinsert=7mm时装置的分离性能发生了明显的增加，此时具有最好的分离性能;当Dreflow=28mm时，装置分离效率出现明显的降低，分离效率Dreflow=24mm时最佳。
　　(9)对圆锥形排液结构和圆筒形排液结构对装置分离性能的开展了实验研究。研究表明:LDepth=0mm的回流齐平式排液装置的脱除率和露点降最大可达47.72％和17.41K，比无回流结构的装置分别提高12.02％和5.42K，分别是LDepth=30mm的回流齐平式排液装置的2.04倍和2.23倍;不同圆筒形排液装置分离性能关系为无回流圆形排液结构＞有回流圆环形排液结构＞有回流斜切形排液结构＞无回流斜切形排液结构。