冷喷涂技术是最近几十年发展起来的一种新型表面喷涂技术，它是将喷涂粒子通过超音速载气加速到300m/s-1200m/s后撞击并沉积在基板表面上，从而形成一层致密涂层的技术。在冷喷涂过程中，由于喷涂粒子的温度变化较低，因此采用该技术在制备发展新型材料涂层如纳米、非晶体材料等热敏感材料涂层方面，具有明显优势。由于冷喷涂技术的关键在于如何使喷涂粒子在撞击基板前获得足够高的速度，因此对采用超音速气流来加速喷涂粒子的拉法尔喷管流场特性分析的研究，成为研究冷喷涂技术的重点内容之一。本文针对目前大量使用的圆形截面拉法尔喷管出口半径调整余地不大、难以喷涂较细直径的旋转体工件等缺点，提出一种新型结构的矩形截面拉法尔喷管，并对该种结构的拉法尔喷管进行三维CFD数值模拟，详细研究矩形截面拉法尔喷管内超音速气流的流场特性和粒子加速性能，并将这些结果与常规的圆形截面拉法尔喷管的数值模拟结果进行对比。在此基础上，本文还系统地对载气的不同入口参数、喷管矩形截面的不同长宽比、不同材料不同粒径的喷涂粒子、喷涂粒子释放位置等因素对采用矩形截面拉法尔喷管的冷喷涂过程的影响规律进行了详细研究。研究结果表明：1、在相同条件下，矩形截面喷管和圆形截面喷管内的超音速气流流场结构相似。由于受到矩形截面四个直角区域的影响，载气通过圆形截面喷管所获得的最大速度略高于矩形截面喷管；在喷管出口截面上，矩形截面喷管的流体速度分布均匀度较圆形截面喷管要好，在工程实践过程中有利于对较细直径的旋转体工件进行喷涂。2、在对喷涂粒子的加速性能方面，采用圆形截面或矩形截面的拉法尔喷管加速后的粒子，其速度沿流体流向的分布特征相同，但由于圆形截面喷管产生的气流最大速度高于同等条件下矩形截面喷管的最大气流速度，因此经过圆形截面喷管超音速气流加速后所获得的粒子最大速度略高于通过矩形截面喷管超音速气流加速后的粒子最大速度。3、在本文研究的参数范围内，当喷涂粒子直径小于5μm或大于50μm时，喷涂粒子在到达基板表面时都不能获得较高的速度，不利于喷涂粒子在基板表面的沉积。4、通过对喷涂粒子不同释放位置对粒子加速性能影响的详细研究，发现从喷管入口截面中心位置释放的喷涂粒子可以获得最大速度，在偏离中心区域释放的喷涂粒子因在加速过程中会与喷管壁面碰撞，从而导致其最终获得的最大速度小于从中心区域释放的喷涂粒子速度。本文的研究结果为制造性能优越、结构简单、加工制造成本低廉的矩形截面拉法尔喷管提供了实验和理论参考数据，为冷喷涂技术发展中其关键、核心的拉法尔喷管提供了一种新的选择。