激光切割技术是激光加工应用领域的重要部分,是当前世界上先进的切割工艺之一。随着应用领域的不断扩展激光切割中的一些关键性技术也迫切需要得到解决。喷嘴及其射流流场是影响激光切割的重要因素之一,选择合理的喷嘴结构参数和良好的射流流场特性对于提高激光切割能力、效率和质量具有重要意义。论文首先根据空气动力学原理和激光切割机理,建立了圆锥形喷嘴、超音速喷嘴和简易的超音速喷嘴几何模型。然后根据可压缩轴对称N-S方程,采用非结构网格有限体积法和标准k-ε模型对论文选择的喷嘴在不同入口压力下的自由射流特征进行了数值分析。分析结果表明传统的圆锥形喷嘴在低压时具有很好的射流特性,适合于常用的低速低压的激光切割,但随着入口压力的增加,喷嘴出口会有激波产生,射流流场有较大的波动;设计的超音速喷嘴在设计的工作压力下具有很好射流流场特性,其射流边界整齐、气流动量高、流速、压力及密度分布均匀,适合于高压快速激光厚板切割;简易的超音速喷嘴在高压入口时与设计的超音速喷嘴相比具有相似的射流特性,并且简易的超音速喷嘴结构简单制造方便,更容易产品化。为了研究激光切割中辅助气体与工件之间的相互作用关系对激光切割表面质量的影响,在本文中将辅助气体与工件之间的相互作用关系描述为斜面撞击射流过程,撞击射流选择RNG k-ε模型。撞击射流分析得出斜面和喷嘴轴线夹角越小,距离喷嘴出口越近,斜面上静压梯度和剪切应力就越大。较大的剪切应力和大的压力梯度变化有利于增强去除材料能力和提高激光切割表面质量。最后,将Taguchi(田口方法)应用到喷嘴的结构参数优化中来,分别建立L9和L18正交分析表,对圆锥形喷嘴和简易的超音速喷嘴的结构参数进行优化设计,为实际激光切割中喷嘴的结构参数的选择提供了依据。