磨料气体射流加工是一种经济有效的技术,目前广泛应用于材料表面处理、钻孔和开槽等领域。同时磨料气体射流作为一种“气力化”措施,可以通过高速气体加速磨料,具有良好的冲蚀性能,而且可以避免“水力”措施引起的井眼塌陷和瓦斯解吸等问题,在煤矿开采方面具有广阔的应用前景。其中磨料的冲击动能是影响磨料气体射流破煤的关键因素,磨料的冲击动能是通过气体射流的流场结构和磨料的特性来确定的,而磨料在喷嘴和自由流场中的运动是通过气体射流的流场结构来确定的,因此需要确定能够充分加速磨料的流场结构,但目前尚无相关系统研究。为此本文明确了膨胀比是影响流场结构和高压磨料气体射流破煤规律的重要因素,开展了以下研究:研究了膨胀比对气体射流流场的影响,为喷嘴的设计提供了依据。设计了不同压力下不同膨胀比的Laval喷嘴。利用Fluent数值模拟软件对这些喷嘴的流场结构和磨料加速进行了研究。通过高速摄影纹影实验对不同膨胀比气体射流流场结构进行拍摄,通过I-Scan测量了气体射流的动压,并与数值模拟结果进行了比较,验证了气体射流的流场结构。此外,还进行了冲蚀实验和破煤实验,确定了最优膨胀比喷嘴,进一步验证了数值模拟中磨粒加速的结果。本文的具体研究成果如下:（1）明确了膨胀比是影响喷嘴结构设计的主要因素,提出了针对喷嘴膨胀比n值进行磨料气体射流的Laval喷嘴设计方法,设计了10MPa、15MPa压力下不同膨胀比的Laval喷嘴。（2）气体射流数值模拟结果表明:低度欠膨胀状态的喷嘴可以产生更好的流场结构,在射流的流场结构中,其膨胀波和压缩波的交替较弱,等速核较长。同时膨胀比n值越接近于1,流场结构越好。高速摄影纹影实验方法可以较好的拍摄到不同膨胀比条件下的气体流场形态,与数值模拟结果一一对应。I-Scan实验结果表明,当喷嘴处于完全膨胀和低度欠膨胀状态时,动压值变化范围较小,增加了气体射流的冲击面积。随着膨胀比的增加,动态压力分布越来越分散,且随着靶距的增加,振荡越来越明显。（3）流场结构的改善对磨料的加速有较大的促进作用。当压力为10MPa时,相比于其他膨胀比n条件下磨料的加速情况,n=1.12时的磨料在靶距为80mm处可加速至最大值273m/s,是磨料加速最优膨胀比,同时在15MPa条件下也得到了同样的结论。因此,n=1.12的低度欠膨胀喷嘴最有利于磨料加速和煤体冲蚀,如在10MPa,n=1.12处,产生最大冲蚀体积46.08ml和最大冲蚀深度5.83cm,相较于n=0.6和n=5条件下,冲蚀体积分别增加了86%和82%,冲蚀深度分别增加了56%和55%。