激光切割作为一种高效、高质量的板材热切割方式,正在得到越来越广泛的应用。激光切割的实现过程是高能激光束与辅助气体相互作用的结果,一方面高能光束使加工材料熔化甚至气化,另一方面辅助气体把熔融金属和部分热量从切口中排出去。在激光加工的所有工艺参数中,辅助气体压力与气体流动特性是影响切割质量的重要因素。合理的辅助气体类型与流场结构不仅能提高加工能力,而且使热影响区限制在一个特定的范围内,保证了良好的加工质量。本文在上海市科委两项重点科技攻关项目的支持下,讨论了目前激光切割的发展现状及趋势,分析了激光切割过程中高压辅助气体的流场结构,根据喷嘴超音速出流的空气动力学原理对现有的超音速喷嘴进行了结构改进。论文首先介绍了激光切割中辅助气体种类以及在激光切割中的作用,之后详细描述了辅助气体在激光切割中的动力学作用过程,并建立了辅助气体作用过程的解析关系。通过分析高压辅助气体流场结构,建立了超音速流场中状态参数以及动力学特性在激波前后的数学关系,最后对计算流体力学中常用的数值方法作了介绍。对高压辅助气体自由射流进行了分析,建立了马赫盘与出口参数之间的关系模型。并通过对相同出口马赫数不同出口静压力、相同出口静压力不同出口马赫数两种状态下自由射流的仿真计算,详细分析了高压辅助气体自由射流场中的典型结构和特征波面。将辅助气体与工件之间相互作用关系描述为轴对称超音速湍流撞击射流过程,并采用基于结果的自适应算法对激光切割过程中的轴对称撞击射流进行了仿真计算。揭示了气体射流与工件相互作用时入射斜激波与正激波存在直接接触和不接触两种状态,指出了高压气体辅助激光切割第二加工区域的存在原因,并分析了加工参数对切口中动力学性能的影响,建立了高压气体辅助加工能力随工件与喷嘴距离之间的变化关系,用以指导切割参数的优化。最后介绍了两种改进的超音速喷嘴,一种为改进的拉瓦尔结构,另一种是简易的折线结构。分别对两种喷嘴的外流场中压力分布以及马赫盘位置变化等特性进行分析,详细比较了两种喷嘴射流的动力学特性,揭示了两种喷嘴动力学性能的差别。本文的研究丰富了激光切割过程中辅助气体射流分析的理论和方法,并为高压快速激光厚板切割工艺研究提供了相应的理论依据和参考。