在内燃机中采用高压共轨燃料喷射系统实现燃料供应的精确控制,是满足日益严苛的排放法规要求和能效提升的有效手段之一。但随着喷射压力的逐步提高,液体燃料快速降压带来的空化问题也随之变得不容忽视,空化不仅会造成空蚀而影响动力元器件的可靠性和寿命,还会对系统流通能力造成影响,降低燃料喷射系统的性能,因此高压共轨燃料喷射系统中的空化流动机理的探究与问题的缓解,对燃料喷射系统高可靠性和高一致性的能力提升有重要研究意义,也是燃料喷射系统向高参数发展过程中不可忽视的核心问题。为了获取燃料喷射系统中的空化流动的演化规律,本文首先基于相似原理以及柴油机高压共轨电控喷油器内部流道的流动特征,设计了二维“三明治”结构的可视化观测模型,建立了能够捕捉到相似空化流动演变特征的可视化实验台;并采用高速摄影设备及数据图像方法对特定的复杂流道进行了实验研究,同时也利用数值模拟方法对模型流道的流动规律进行了对比校验。其次,通过对可视化实验结果解析,结合空化区域与关键密封区域相分离的工程优化思路,本文设计了一种具有内收特征的新型控制阀结构,并通过可视化实验和数值模拟方法对新型的内收结构和传统结构进行了对比分析。同时,论文研究了空化对于喷油器流通能力的影响,以方形截面喷孔为研究对象,利用三维CFD数值模拟结合实验验证,研究了不同长径比喷孔结构中空化流动对流量特性影响的规律,着重探究了收缩系数Cc的变化规律和影响因素。最后,为了探索通过无损信号检测（非透明模型可视化实验）实时获取燃料喷射系统中的空化流动状态的可行性,本文选取了空化云脱落这一特性进行研究,通过高速摄像可视化观测结合后期图像处理方法,初步得出了空化云脱落的变化规律和分布特性。论文的研究工作可获得以下结论:1.基于相似原理设计搭建的可视化实验台可以很好地捕捉到空化流动特征,并且能够真实反映燃料喷射系统复杂流道下的空化流动规律;2.控制阀的内收结构设计可降低密封面附近的空化强度,是可行的优化思路;3.对于高压共轨喷油器存在一种最优喷孔长径比使得空化流动状态下仍然保持较高的流通能力;空化是影响喷孔流量系数变化的主要因素;喷孔的收缩系数Cc的变化规律与空化流动状态有关;4.燃料喷射系统中空化流动的空化云脱落的演变规律呈现出一定频率分布特征,因此可以用间接测量的方法进行检测。