气液分离是指从气液两相流中分离出雾滴或小液滴进而排出洁净气相的过程,广泛存在于过程工业中,例如湿天然气脱水工艺、湿法烟气脱硫系统烟气除雾工艺。管束式气液分离器作为进行气液分离的有效离心分离设备,其主要由管束和旋流导叶组成。本文以管束式气液分离器为研究对象,基于“液滴粒径分级分离思想”,创新性地提出了具有结构参数梯度的两级串联旋流导叶形式。以实验研究与数值模拟相结合的方法对其流场分布、分离过程机制、多管并联运行特性、液滴分布与液膜发展特性及液相动态行为动力学特性等方面进行了系统研究。主要结论如下:（1）数值模拟研究将Eulerian多相流模型与Eulerian wall film模型进行耦合计算,发现压力场和速度场整体呈轴对称分布;分离效率主要受液滴粒径的影响,入口气速在一定范围内与分离效率之间存在正相关关系;一级旋流导叶对液滴的分离能力基本不受入口气速的影响,经二级旋流导叶协同分离作用后,可实现在较低压降下对微小液滴的深度分离,旋流导叶之间具有结构参数梯度的优势明显。（2）液滴粒径越大,需要的分离空间越短,液膜形成的轴向位置越靠近旋流导叶处;低入口气速下无法形成连续液膜,液相以大液滴的形式沿壁面逆流排出,随着入口气速增加到一定值,可在壁面形成液膜并沿壁面逆流排出;顺/逆流排液方式之间存在转变临界气速,由于气流的剪切作用,在顺流排液方式的气液分离过程中液膜以“螺旋液带”的形式沿壁面螺旋上升至排液侧缝排出,但此时压降较大。（3）多管并联运行时发现气速较低的运行工况,管束之间表现出较好的均匀性和液膜生成同步性,气速较高时,每根管束之间的表现出的差异性也不会影响整体的气液分离性能,保留了单一管束气液分离器运行的优良特性。（4）通过对旋流场中液滴液膜动态行为与动力学特性的可视化研究发现,由于初始液滴韦伯数较小,故其发生破碎的几率较小;运行初期液滴撞击“干壁面”伴随着铺展行为,无撞击破碎行为;液滴撞击液膜伴随二者的融合与破碎行为,液膜始终伴随着一定程度的破碎行为,生成“子液滴”。旋流场中进行的气液分离动态过程可理解为液相“捕集—破碎—再捕集—再破碎”的良性循环机制,且“子液滴群”和“初始液滴群”共同制约分离效率。