天然气脱水和重烃分离是油气田地面生产的重要工艺环节，本文针对传统的低温分离工艺分离效率低、投资和运行费用高、加热防冻困难、防冻剂用量大的特点，研制出一种新型天然气处理设备——超声速旋流分离器。本文依据气体动力学、热力学和流体力学理论，分析了超音速旋流分离器的基本工作原理，建立可压缩流体在喷管、整流管、翼段和扩压器流动的数学模型，借助大型CFD软件FLUENT，求解气流在喷管、翼段、扩压器和整个分离器内的速度、温度和压力分布。通过对不同喷管设计方法对比分析，得到了喷管的最优设计方法，喷管亚声速收缩段按照双三次曲线设计，喉部设计成一段光滑圆弧，超声速扩张段按照富尔士法设计，喷管出口流速均匀性较好，具有较小的能量损失，经边界层修正后达到设计马赫数；经过对轴流叶轮叶片设计方法设计的超声速翼型进行优化，提高了翼后离心加速度、增加了旋流比。对单翼和双翼结构进行了模拟，两种结构翼段出口平均切向速度达135m/s以上，旋流比超过0.35，翼后离心加速度分别达到382647.19g和315858.25g，旋流效果理想。对不同结构扩压器的对比分析表明，第二喉道扩压器就有较高的扩压能力、较小的压力损失，并具有较好的抗压力波动能力。对超声速混合气流场进行数值模拟，根据液滴颗粒在翼段的旋流分离效率，模拟计算超声速旋流分离器分离段水的分离效率为75.2%，重烃的分离效率73.2%。水和重烃在喷管后的最大滞留时间约为9.6毫秒，水化物来不及形成，因此超声速旋流分离器实现了免添加水化物抑制剂防冻。利用HYSYS计算，出口压力4MPa下烃露点温度降至-27.83℃，水化物的形成温度降至1.17℃。对超声速旋流分离器内气流特性进行数值模拟分析，得出气流速度、压力和温度特性的变化情况，控制激波于超声速翼段和扩压器之间，并且趋于扩压器入口，降低气流动能，增加了旋流比，提高了超声速旋流分离的效率，保持升压比达40%～47%，分离器可正常工作。