当前,超高压水切割技术在工程中正得到越来越广泛的应用。然而,水切割中的许多现象还未得到完彻的理解,尤其对超高压射流流动特性的认识还相当肤浅。本文通过实验和数值计算对400 MPa范围内的超高压气液射流和磨料水射流(AWJ)的流动特性及切割性能展开了多方面的研究。进行的开创性研究工作和取得的主要成果如下：1.对超高压宝石喷嘴内外的气液射流流场进行数值计算,揭示了外部射流扩散机理,认为湍动能可作为判断射流扩散程度的依据。关注了宝石座出口端面和出口流道对射流结构的影响,针对出口结构提出了多种新方案,对各设计方案条件下的射流流场进行了模拟。2.对超高压条件下宝石孔内的空化现象展开研究,应用空化模型对空化发生后的两相流动进行数值计算,发现宝石孔内的空化影响到射流半径,宝石孔结构参数影响到空化的发展程度。系统地总结了宝石喷嘴内外的流动结构和流体分布情况。3.运用欧拉——拉格朗日方法对超高压AWJ切割头内部的多相流动、磨料运动、内壁的磨损情况进行模拟,发现了磨料物理性质与颗粒对射流作用响应程度之间的关系等重要规律。4.针对超高压射流设计了一种安全有效的可视化实验方案,观测了不同宝石喷嘴外部诸因素影响下的射流形态,测量了射流的打击力,鉴定了宝石喷嘴的优化方案。对宝石喷嘴及AWJ切割头进行了磨损实验,分析了切割头部件的磨损特性及内流对磨损的影响。发现了锥形或环形的出口端面、锥形渐扩的出口流道有助于增强射流的集束性；射流的扩散趋势与能量衰减趋势具有一致性；60°的出口流道锥角性能十分理想。实验结果部分验证了数值研究的结论。本文对水切割中的射流流动和切割头性能进行了详细的分析。研究成果为理解超高压水切割射流喷射过程中的复杂多相流动提供了重要依据,在指导切割头部件的优化设计、减小磨损、提高切割效率方面发挥了直接有效的作用。所设计的宝石喷嘴使射流集束性得到大幅提高,从而在工程应用中部分改善了水切割的一项主要缺陷。本文也为对超高压水射流切割头内外流动进行直观研究提供了较理想的可视化实验方案和较可靠的数值计算方法。