传统的冷态液体射流的破碎与雾化的过程主要发生在单液相区域，射流的雾化及混合过程主要受到惯性力、粘性力、表面张力和气动力等微观力的共同作用。而将经过加热的燃油喷射到低于其饱和蒸气压的环境介质中形成的闪急沸腾喷雾（闪沸喷雾）发生在气液两相区域，大量的气泡在液体内部形核、发展、破裂，极大地促进了燃油的雾化及蒸发过程，有望提高直喷汽油机的燃油经济性、动力性及发动机瞬态性能，并改善发动机的排放性能。然而到目前为止，闪沸喷雾的雾化机理尚未完全明确。本文基于多种先进的光学诊断技术深入、系统地研究不同燃油过热状态下多孔直喷喷雾的形态变化过程和液体喷雾-环境气体两相流动、相互作用过程，解明闪沸喷雾形态变化背后的流场因素以及燃油喷雾与环境气体的油气混合过程，为直喷汽油机喷雾-燃烧系统的设计、开发及改进提供重要的理论参考。为了进行燃油过热程度对喷雾形态、流动特征的研究，本文首先利用数值分析方法确定了改变燃油温度和改变环境压力这两种手段在改变燃油过热程度上的等效关系，并在实验结果中得到了进一步的验证。基于这一结果本文采用燃油喷射环境压力与燃油饱和蒸气压之比作为燃油喷雾的无量纲过热程度的评价指标，并依据这一评价指标划分出燃油喷雾的三个特征过热区域，即非过热区域、过渡区域以及完全过热区域。在各个特征过热区域内燃油喷雾的形态、流动特征均表现出了明显的区域特征。在喷雾结构形态方面，本文利用片状激光成像技术分别从轴向及径向两个不同的角度观察了喷雾宏观形态以及径向截面燃油质量分布，总结了各过热区域内燃油喷雾形态的变化特征。此外，基于阴影显微成像技术测得了近喷孔处燃油喷雾的微观结构及燃油的尾喷特征，建立起微观及宏观喷雾形态之间的联系，发现了常规液体喷雾与过热燃油喷雾在雾化机理上的本质区别。为了了解燃油喷雾在不同过热度下形态变化过程背后的流场因素，本文成功地应用高速粒子图像测速（PIV）技术研究各特征过热区域内的喷雾流场特性，对轴向及径向两个不同视角对液体喷雾间的流动干涉、混合区域的形成过程等进行了系统讨论。对于涡旋运动较为明显的过热燃油喷雾，本文基于特征值分析法求得的喷雾旋流强度有效地对喷雾流场的涡旋运动（旋流强度）进行分析，阐明了喷雾涡旋运动对其流场形成的影响。对于液体喷雾和环境气体两相流场的测试，能够进行喷雾流场及环境气体流场同场测试的Mie-scattering/LIF-PIV或LIF/LIF-PIV相关技术及应用极少见报，且绝大多数为低速的瞬态测试技术。这些技术对硬件水平、光路布置等的要求较高，极大制约了两相流场同场测试技术的实际运用和推广，导致相应的实验数据及理论极度缺乏。本文在这一背景下开发了以单激光器-单相机简易实验台架的高速双色PIV测试技术，利用精心设计的荧光示踪方案以及包含两个帧间时差的正时控制策略，成功实现了喷雾燃油及其环境气体流动的同场测试。基于这一新开发两相流动测试技术，本文进行了燃油喷雾气液两相流动、混合过程的研究。本文将液体喷雾周围的环境气体运动划分为卷吸区域、回流区域和外推区域这三个特征区域。其中，卷吸区域内距离距离喷孔位置较近，其内的环境气体在液体喷雾流动产生的尾迹作用下流入液体喷雾以补偿液体喷雾区域与周围环境的压力差；外推区域位于液体喷雾前端，其内的环境气体被后方的液体喷雾向外推出；处于中间段的回流区域则是由环境气体为满足连续性要求而进行的补偿流动所致。本文分析了不同过热度下液体喷雾与环境气体两相之间的动量传递特性以及环境气体运动的能量在上述三个特征区域内的分布情况，着重讨论了环境气体在卷吸区域内的卷吸特性（卷吸速度、卷吸质量流量），提出了不同喷射阶段下环境气体的一维卷吸模型。基于上述所得结果，本文全面阐明了不同特征过热区域内喷雾形态、喷雾流动特性及油气混合过程。相比于常规液体喷雾，过热燃油喷雾在完全不同的雾化机理作用下喷雾形态灵活可变，燃油雾化质量显著改善，环境气体卷吸更加强烈，油气混合更加充分，有望解决目前直喷汽油机开发过程中遇到的燃油碰壁、机油稀释、活塞积碳、碳烟排放等问题。本文的研究工作也为开发新概念的过热燃油喷雾燃烧系统以及相关仿真计算模型的调校提供重要的理论及实验数据支持。