目前油田联合站来液多数未进行天然气预分离处理,使得后续工艺油水分离效果变差。为解决此问题,本文研究了一种新型的轴流式气液分离器对来液进行气液预分离处理,以此提高油水分离效率。分离器整体结构主要分为导流叶片、内筒、外筒三部分,具有结构简单、安装方便、压降小、分离效率高等特点,为其工业化推广应用奠定了基础。本文首先利用CFD数值模拟软件FLUENT对三种形式(螺旋型、倾斜平板型、圆弧型)的导流叶片进行分离性能对比选型,得到分离性能最优的结构为圆弧型叶片。然后分析安装有圆弧叶片的轴流式气液分离器内部浓度场、速度场、压力场的变化规律,改变入口物性参数,得到液相粘度对分离器分离性能的影响规律。自主设计了用于轴流式气液分离器性能试验的多相流环道,通过对比压降,表明试验结果和数值模拟结果吻合较好,验证了数值模拟结果的准确可靠性。同时对不同导叶角度、气液相折算速度下的分离效率及压降变化进行了实验并分析了结果。通过数值模拟分析了导流叶片的结构(导叶出口角度、叶片数、中心柱直径、叶片厚度、叶片有无直线段)对分离效率和压降的影响规律。并基于正交试验原理进行数值模拟得到了分离效率最优的导流叶片结构,且通过差方分析得到导流叶片结构对分离效率的影响程度关系为:叶片角度>叶片数>中心柱直径。通过对导流叶片阻力损失进行理论分析,初步推导出导流叶片的阻力损失模型,并利用10个不同结构下的导流叶片数值模拟结果对阻力损失模型中的两个未知量进行多元线性回归,得到导流叶片阻力损失预测模型,经过与9个其他结构模拟数据进行对比,得到预测值与模拟值的最大误差为19.79%,最小误差为2.00%,平均误差11.43%,证明该阻力预测模型具有一定的可靠性和准确性。对轴流式气液分离器结构进行改进优化,主要对轴流式气液分离器内筒进行开窄缝处理。结果表明,内筒壁开窄缝有利于减小压降和内筒口的轴向速度,从而降低溢流口气体的携液量,同时分析了窄缝宽度、长度和位置对分离性能的影响规律。