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超音速旋流冷凝分离是一种利用气体膨胀至超音速实现降温,将气体中凝点较高的组分凝结为液滴,在强离心力场的作用下实现分离的新型天然气净化技术。该技术简化了系统过程,具有投资少,无转动件,等熵效率高的优点,因此,在天然气处理领域有很强的应用前景。针对目前超音速分离技术存在的喷管扩张段内易产生激波,凝析液难以排出等常见问题,本文在气体旋转超音速凝结流动行为研究的基础上,对超音速旋流分离器进行结构改进,提出新型两级排液式结构,在不影响喷管流场的前提下,增加凝析液的排液面积及排液时间,提高装置的分离效率。本文的主要研究工作如下:（1）研究关键部位的设计方法（喉部面积比、喉部过渡段、旋流器）,采用数值模拟方法,对不同曲线型面的Laval喷管喉部过渡段结构进行对比分析,结果表明:发现指数函数过渡曲线相比其他两种过渡形式虽离心加速度略小,但具有更高的马赫数,更低的温度,且激波损失更小。故综合考虑,本文采用指数函数曲线过渡结构。（2）建立了两级排液式超音速分离器的三维数值模拟模型,研究了新型排液结构对流场的优化作用;并研究了其他关键结构参数及操作参数对分离器连续相流场的影响;得到了压力,温度,马赫数等参数的分布规律并确定了最佳结构参数和操作参数,结果表明:两级排液式超音速分离器在压比为1.75,面积比为1.424时,管内流动特性达到最佳,激波位置大幅后移（758mm）,喷管冷凝段最低马赫数达到1.34,静温恒定在220K左右。（3）结合DPM离散相模型,研究两级排液式超音速分离器内部颗粒的运动情况以及不同结构参数,操作参数（压力及颗粒浓度）及排液结构下的分离效率。结果表明:对于5μm以上的液滴,分离器具有良好的分离效果;与传统排液结构相比,新型两级式排液结构对分离器的分离效率有明显提升作用。（4）搭建实验平台,对不同操作参数和结构参数,尤其是不同形式排液结构下的分离性能进行实验。结果表明:其他参数固定条件下,随着压比的增大,装置的分离效率先增大后减小;压比固定条件下,分离效率随面积比增大,分离效率先增大后减小;旋流器出口角也有类似的趋势变化,分离效率随出口角增加先增大后减小。两级排液式超音速分离器较传统排液结构在分离效率上有所提高,在压比为1.75,面积比为1.424,旋流器出口角55°条件下分离效率达到最大值,乙醇脱除率δETH达到53.14%,比传统排液结构提高了1.62倍。