风冷淬火技术是最近几十年来迅速发展起来的一种热处理工艺,它是将高压空气通过喷风装置加速到高速气流,再对工件表面进行强制对流换热使工件迅速冷却,提高表面硬度与耐腐蚀性,而工件芯部仍具有良好的强度与韧性。风冷淬火工艺因其介质为压缩空气,具有环保,经济,冷却速度可调范围广等优点,近些年来尤其是在大型型钢的在线热处理工艺上得到应用。由于风冷淬火技术的关键在于如何提高风速从而提高淬火冷却速度,因此开发超声速喷嘴,成为研究风冷淬火技术的重点内容之一。本文针对目前使用广泛的折线式圆形截面超声速喷嘴出口风速互不平行、出口半径调整余地不大且风速宽度较小难以对较宽工件进行处理等缺点,运用维托辛斯基曲线法与特征线法设计出一种曲线式矩形截面超声速喷嘴,并对该方法设计出来的喷嘴进行CFD数值模拟,分析了喷嘴型腔曲线、入口温度及入口压强对喷嘴内部流场的影响,详细研究了矩形截面超声速喷嘴内部与出口流场的特性,并与圆形截面超声速喷嘴的数值模拟结果进行对比分析,结果表明:1、喷嘴出口的速度大小与喷嘴的设计马赫数大小和入口气流温度均有关,喷嘴出口速度与入口温度的平方根成正比。当入口的温度不变只提高喷嘴设计马赫数时,气流的速度存在一个最大极限值(?)。2、喷嘴入口压力与出口背压的比值决定着气流在喷嘴内部的膨胀状态,并影响着喷嘴内部流场的均匀性。在相同的设计马赫数下,对于不同型腔曲线的超声速喷嘴,当出口背压相同时,采用维托辛斯基法与特征线法设计出的曲线式喷嘴,其内部达到均匀流场所需要的入口压力要远小于普通折线式超声速喷嘴。3、矩形超声速喷嘴出口截面速度场分布和出口质量流量与等出口截面积的圆形喷嘴差别不大,但前者边界层厚度要明显偏小,内部流场分布更加均匀。4、特征线法矩形超声速喷嘴在宽高比的选择上更加的灵活,在内部流场的均匀性和入口最低压力的选取上都要优于普通的圆形超声速喷嘴。该研究将对超声速的设计和在喷涂、淬火等方面的应用具有重要的参考价值。