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拉伐尔型微小喷嘴(微小型超音速喷嘴)通过使气流加速获得超音速气流,成为微小推进器、冶金、激光切割、超音速冷喷涂等领域应用非常广泛的关键零件。然而微小喷嘴在设计、性能仿真、制造等方面均面临着与宏观尺度喷嘴迥然不同的挑战。研究微小喷嘴的设计原则、粗糙度效应、尺度效应、加工技术、测试技术等对于微小喷嘴的应用具有重要价值。本文结合气体动力学、计算流体动力学(CFD)仿真与微细切削技术对微小喷嘴的流场分析与制造技术展开研究,阐述粗糙度对微小喷嘴性能的影响规律,提出基于气体摩擦效应的喷嘴性能预测模型,探索提高喷嘴表面质量与精度的加工方法,该研究有助于形成微小喷嘴的设计-制造-性能一体化开发技术。首先,通过CFD仿真技术揭示壁面型线对微小喷嘴性能的影响规律。分析微小喷嘴扩张段长度对喷嘴性能的影响,优选确定扩张段长度。直线型壁面微小喷嘴具有最小的内表面积,可减小气流与喷嘴的接触面积,从而具有较小的壁面损失,研究结果表明喉部直径lmm喷嘴的收缩段、扩张段均可采用直线型壁面。其次,建立微小喷嘴切削加工壁面残留几何模型,将不同粗糙度喷嘴的几何模型集成嵌入微小喷嘴CFD仿真模型,揭示喷嘴不同壁面粗糙度、尺度、入口总压下的喷嘴流场变化规律。建立基于摩擦效应的微小喷嘴性能预测模型,对喷嘴速度性能进行理论预测,预测值与仿真值的偏差小于4%。通过建立喷嘴轴向切削深度、半锥角与速度性能之间的映射关系模型,为微小喷嘴加工参数优选奠定基础。然后,通过刀具、夹具、切削参数、刀具轨迹、加工路线规划、壁面毛刺抑制等的优选和优化,开发喷嘴微切削加工技术,保证获得高加工质量微小喷嘴。结果表明,球头铣刀加工微小喷嘴的壁面毛刺不可忽略,可通过涂覆PMMA法进行抑制；锥形铣刀加工后的微小喷嘴壁面无毛刺,且可采取较大轴向切削深度。最后,研制搭建了牛顿级微小喷嘴推力测试平台,对不同加工参数、不同刀具轨迹加工的微小喷嘴性能进行了测试评价。测试结果表明微小喷嘴的粗糙度效应导致喷嘴推力性能下降,粗糙度对推力性能的影响随着入口总压的增加越来越明显。轴向刀具轨迹加工的微小喷嘴推力性能优于圆周刀具轨迹加工喷嘴,但大切削深度下,轴向刀具轨迹加工的微小喷嘴推力下降明显,且随着入口总压的增大,不同切削深度加工的微小喷嘴性能差异呈现增大趋势。