随着天然气产业的蓬勃发展,LNG的需求量与日俱增。超声速旋流分离技术是一种新型的天然气处理技术,相比于传统的天然气处理技术,其具有投资成本低、设备简单、节能降耗等优势,但关于将该技术应用到天然气液化方面的研究仍较少。鉴于此,本文提出将超声速旋流分离技术应用于小型天然气液化领域,以天然气中的主要成分甲烷气体为研究对象,采用理论研究、数值模拟与实验测量相结合的方法,开展了甲烷气体超声速凝结特性研究与气液两相流动特性研究,为新型天然气液化技术的开发提供了理论依据。主要工作及成果如下:（1）根据甲烷低温高压条件下的物性特点,对其热物理参数的计算方法进行了筛选。并结合甲烷气体高速流动与低温凝结的特点,对旋流分离器的关键部件-Laval喷管进行了结构设计,采用双三次曲线方法设计喷管的渐缩段,扩张段采用圆弧加直线方法设计来实现过渡,使甲烷气体能够在自行设计的Laval喷管中实现超声速凝结和液化。（2）构造基于欧拉-欧拉双流体模型的气相、液相流动控制方程,结合甲烷凝结过程中成核与液滴生长的基础理论与经验公式,建立准确预测Laval喷管内甲烷气体超声速凝结与流动过程的数学模型。为精确求解凝结和流动控制方程,通过C语言编写用户自定义标量和用户自定义函数程序,对数值模拟软件进行二次开发。并开展水蒸汽凝结相变实验研究、借助文献实验数据,双重验证了用于预测甲烷气体自发凝结流动数学模型和计算方法的准确性和适用性。（3）采用建立的甲烷自发凝结数学模型和计算方法,研究甲烷在喷管内的超声速凝结流动规律及不同入口参数、压力比对甲烷凝结流动特性的影响。结果表明:甲烷气体流经Laval喷管,温度和压力不断降低,在喉部处达到声速,于喉部后发生凝结现象,凝结释放的大量潜热使得温度回升;甲烷气体成核在时间和空间上表现出急剧性,液滴生长过程较长可维持至出口;降低入口温度、提高入口压力均有利于促进甲烷气体在Laval喷管内的凝结流动过程,喷管出口液滴半径、液相质量分数增大;增大压比,激波不断向喉部移动,当到达成核区域时,喷管丧失甲烷液化能力。（4）在甲烷气体超声速凝结流动研究的基础上,采用DPM模型模拟甲烷液滴,进一步开展甲烷超声速气液两相流动特性研究,分析不同液滴参数、喷管压力比对气液两相流动特性（尤其是激波）的影响规律。结果表明:Laval喷管内甲烷超声速气液两相流动速度分布低于气体单相流动,温度和压力分布高于气体单相流动;随着液滴直径和液滴质量分数的增大,激波位置向喷管出口方向移动,激波呈现出不同的结构;当喷管压比增大到0.92时,激波进入喷管喉部破坏了甲烷的低温膨胀环境,使得流体流经喉部后不能达到超声速,更不能实现甲烷气体液化;液滴颗粒直径太大、液滴的质量百分比太高均不利于甲烷的超声速气液两相流动。