柴油机产业是推动一个国家经济增长、社会运行的重要装备基础,现代柴油机对燃油喷射系统性能提出了更高的要求——更高的喷油压力、更精确的喷油控制和更为可靠的系统设计。电控高压共轨燃油喷射系统相当于柴油机的“心脏”和“大脑”,对柴油机的高效低排放起着决定性的作用。中国是全球柴油机的主要市场和生产国家,但德国、美国和日本等企业占据了国内柴油机高压共轨系统市场的绝大部分份额,而国产高压共轨系统在性能、功能、质量及一致性上还存在一定的差距,因此高压共轨系统已成为我国亟待攻克的“卡脖子”核心技术之一。高压共轨系统中共轨喷油器喷嘴是联系上游燃油喷射和下游喷雾雾化的关键,其内部流动特性直接决定了燃油喷射系统关键评价指标——流量特性和喷雾特性,进而影响对喷雾过程控制的精准性、一致性和稳定性。柴油机在高压喷射过程中,共轨喷油器喷嘴内部除了存在常规的壁面片状空化现象以外,还存在云空化脱落、空气倒吸、残余气泡、旋涡诱导线状空化等特殊流动现象,当前国内外对后者的研究相对较少。本论文将透明喷嘴内流及喷雾可视化试验研究和空化两相湍流数值模拟方法相结合紧紧围绕柴油机高压共轨喷油器喷嘴内部所存在的这些特殊流动现象的瞬态特性开展研究,主要研究内容和创新性结论如下:(1)不同于空化流动研究中广为采用的各类基于空泡动力学的空化模型,均质弛豫空化模型基于热力学平衡原理提出,在高压喷射涉及燃油压缩性及燃油升温现象的空化模拟中将具有更大的应用潜力。本文在验证和分析该HRM模型用于喷嘴内空化流动模拟的适用性和准确性基础上,探讨了空化模型中空化相变率、燃油中初始不凝性气体含量、燃油压缩性和湍流模型等对喷嘴内空化流动模拟结果的影响。研究表明:空化相变质量传输率对稳定后的空化区域特征几乎没有影响,但对空化瞬态发展过程有影响;HRM模型用于喷嘴内部空化流动的模拟时,在保证数值求解稳定性的前提下应尽可能选用大的蒸发相变率及冷凝相变率系数;空化过程相变质量传输率较大时,不凝性气体对空化发展过程几乎没有影响;液体的压缩性会加快空化瞬态发展过程,也会增加空化发展至稳定状态后液相转化为蒸汽相的总质量;湍流LES大涡模拟方法更适用于对喷孔内气泡倒吸、云空化脱落、喷雾近场射流破碎雾化等瞬时现象的细微捕捉和研究。(2)在比例放大透明喷嘴内流及喷雾可视化试验台上研究了三种不同比例放大透明喷嘴内的片空化初生、超空化、水力回流等流态的比尺效应,并结合云空化脱落过程的LES大涡模拟分析了喷孔内云空化脱落与空气倒吸之间的关联性。研究得出,喷嘴内的空化流动具有比尺效应,空化流动的平均脱落频率随着喷嘴几何尺寸的增大而减小,但是表征空化脱落过程周期性的St数既与喷嘴几何尺寸无关,也与喷油压力无关。研究结果为基于比例放大透明喷嘴工况下的研究结果指导真实柴油机喷油器内流及下游喷雾特性提供了依据。(3)将柴油机真实尺寸量级的透明喷嘴内流及喷雾可视化试验与考虑针阀运动及针阀偏心的多孔喷嘴内空化瞬态流动的三维数值模拟相结合,针对实际喷油器喷嘴内所存在的旋涡诱导线空化瞬态特性开展研究。研究得出:相比较于单孔喷嘴,双孔喷嘴内线空化的出现频率、持续时间和强度都显著增强;针阀-喷孔型线空化主要产生于较低的针阀升程工况下,导致喷孔下游喷雾的锥角明显增大,而喷孔-喷孔型线空化主要出现在较高针阀升程下,且强度一般较弱、持续期较短;与几何诱导空化不同,线空化流动起源于旋涡流动核心区,并沿着旋涡发展,线空化强度依赖于当地旋涡核的涡量大小;对柴油机多孔喷嘴,针阀的偏心运动使得各喷孔内可能存在不同的燃油流动形态,针阀偏向侧的喷孔内倾向于单相流动,远离侧的喷孔内则会产生非常强烈的几何诱导空化,而介于这两个喷孔之间的喷孔内旋涡流动更为强烈,表现出强烈的线空化流动形态;旋涡诱导线空化可显著增加流动的湍动能。线空化瞬态流动特性的研究为多孔喷嘴喷油一致性的研究提供了理论指导,为旋涡诱导中空喷雾喷嘴的结构设计及优化提供了新思路。(4)在真实尺寸量级喷嘴内流及喷雾试验台上,采用渐缩锥度孔透明喷嘴研究了多次喷射策略下近场喷雾结构特性。研究表明:在相同工况下,柴油多次喷射过程中的近场喷雾结构呈多样性。根据“蘑菇头”结构和尾迹的差异,近场喷雾结构主要可分为单“蘑菇头”结构/尾迹、双“蘑菇头”结构/尾迹、单“蘑菇头”、无“蘑菇头”结构且无尾迹和无“蘑菇头”结构但有尾迹等五种类型。喷油压力强烈影响各类型近场喷雾结构的发生概率。(5)将真实尺寸量级喷嘴内流及喷雾可视化试验中所捕获的柴油喷射末期和启喷阶段喷嘴内残余气泡/柴油的形成和运动特征,与耦合喷嘴内流和近场射流喷雾的LES大涡模拟数值模拟结果相结合探究喷嘴内残余气泡/柴油的起源、近场喷雾结构循环变动的诱因。研究表明:喷嘴内残余气泡/柴油主要来源于柴油喷射初期和末期的倒吸现象;近场喷雾循环变动的起因是在喷射前喷嘴内残余气泡/柴油多样化的分布特性。研究结论为燃油多次喷射策略的优化和近场喷雾特性的精准预测和控制提供了理论依据和指导,也为先进喷油器的设计与优化提供了新方向。本论文将可视化试验手段和高精度数值模拟方法有效结合,针对柴油机高压共轨燃油喷射系统喷嘴内在高喷射压力、多次喷射策略下可能存在的各类特殊的流动现象及其对喷雾的影响开展系统而深入的研究。在HRM空化模型用于喷嘴内空化流动模拟适用性的探究、空化比尺效应、云空化脱落与空气倒吸的关联、喷孔内残余气泡对喷雾初始头部结构的影响机理、针阀运动及偏心对喷嘴内线空化流态的影响方面取得了诸多创新性研究结论,为实现高压共轨燃油喷射系统对燃油喷射和喷雾过程控制的精准性、一致性和稳定性提供了理论指导。