高压磨料水射流切割是近二十年兴起的一项加工技术,因其具有“绿色”切割、切缝质量好以及无需二次加工等优越特点,目前该切割技术在国内外已被广泛应用。然而作为新兴切割技术,整个切割系统仍存在许多待完善的问题,尤其是形成磨料射流关键的喷嘴结构,关系着整体系统的切割精度,迄今为止其集束能力及使用寿命仍未达到理想水平,制约了切割质量及生产效率。因此,进一步研究增强磨料喷嘴射流的集束性、延长磨料喷嘴的使用寿命,确保其高精度、高效率的完成切割加工行为,对于提高我国高压磨料水切割技术水平具有重要意义。本文在分析喷嘴内部磨粒加速机理以及内壁磨损机理的基础上,从提高射流速度、降低磨损的角度出发,提出了改进的双圆锥磨料喷嘴结构。针对改进前后的喷嘴结构,根据现有的磨料喷嘴结构及设计原则,分别给出了四组不同结构参数,应用FLUENT完成了八组参数下的磨料喷嘴内部的二维单向数值模拟。通过对比分析出口端射流轴向速度、径向速度以及喷嘴内外部紊流动能,验证了改进后的磨料喷嘴具有更优的混合能力及射流集束性。基于喷嘴内部流场复杂性的考虑,在建立液固两相流动的计算模型前,首先提出了计算假设。基于欧拉-拉格朗日算法,选取了标准k-ε模型及SST-ω模型对喷嘴内的紊流流场进行求解,分析了磨粒在喷嘴内部的具体受力情况,对比研究确定了磨粒碰撞反弹模型。通过研究单磨粒的入射角以及碰撞速度对磨损的影响,采用FLUENT中的DPM模型,将E/CRC提出的半经验磨损模型进行转换,建立了喷嘴内部的磨粒磨损计算模型。以两相流动计算模型为基础,对高压磨料喷嘴内部的稀相两相流动及相间作用进行了三维数值模拟研究。相同工况下对比文献中的实验研究,得到经由改进磨料喷嘴的混合射流速度相对提高,验证了改进喷嘴结构的优越性。进而分析了直接关系切割深度及质量的磨料喷嘴内部速度场,得到出口处83.5%左右的磨粒速度达到300m/s以上,射流具备高集束能力。基于离散相计算模型,对单磨粒加速运动进行研究,得到不同目数的磨粒在出口端的速度相差不大,在圆锥段的压强梯度力以及阻力是提供磨粒加速的关键作用力,数值较小的虚拟质量力和Basset力在整个过程中均为反作用力。基于Discrete Random Walk模型数值模拟了不同参数下的磨粒轨迹运动,结合CFD-Post的可视化处理,得出80目磨粒是满足工况下的最佳选择。最后初步建立了磨粒的运动速度模型。利用颗粒流的滑移剪切-碰撞(S-C)模型的基本思想,建立了单磨粒与喷嘴内壁碰撞边界模型,结合ANSYS LSDYNA软件,分析了磨粒与内壁之间碰撞中的相对位移、接触时间以及速度的反弹特性及其反映出的磨损状况。采用标准近壁面函数法处理网格边界,结合ICEM-CFD着重对数值模拟中的网格进行了无关性验证处理,在不同入口压力下,与文献中实验结果进行对比,得到高压工况下改进后的磨料喷嘴磨损量降低。最后基于正交试验设计9组参数方案,模拟了不同工况下的喷嘴内壁磨损情况,为改进喷嘴系统配置合理的工作参数提供理论基础,以达到改善切割精度及使用寿命的目的。