液态燃料喷雾燃烧是目前内燃动力系统中应用最广泛的燃烧方式之一。在直喷汽油机(GDI)或者柴油机中,燃料在缸内通过雾化破碎和蒸发实现油气混合。但是,随着内燃机缸内压力的提高,传统喷雾转化为超临界射流已经成为广泛存在的现象。为此,本文采用分子动力学模拟(MD)和实验观测相结合的方法,对超临界环境下液态燃料超临界转变机理和气液界面的演变规律、液滴蒸发特性以及跨/超临界射流特性三个重要科学问题展开全面研究。采用开源的分子动力学模拟程序LAMMPS(Large-scaleAtomic/MolecularMassivelyParallelSimulator,大规模原子分子并行模拟器),建立了碳氢燃料一维液膜在氮气环境中蒸发的模拟体系。获取了液膜蒸发速率和寿命,分析了液膜热力学状态并判断了超临界转变的发生,解析了超临界转变发生过程中气液界面特性的演变规律。研究结果显示,低环境温度下液膜寿命随环境压力的升高而先减小后增大;高环境温度下液膜寿命随环境压力的升高而单调减小。液膜向超临界态转变过程中,气液界面增厚以至进入连续流体区,并且表面张力减小至零。此外,采用分子动力学模拟,建立了碳氢燃料液滴蒸发模拟体系,分析了超临界环境下的液滴蒸发特性。研究发现,碳氢燃料液滴的蒸发过程可分为初始加热阶段和准稳态蒸发阶段。随着环境压力和温度的升高,液滴的初始加热时间和寿命减小,而蒸发速率常数随着环境压力呈先增大后减小的趋势。液滴发生超临界转变的时间随环境压力和温度的升高而缩短;随着液滴直径的增大,液滴发生超临界转变的环境条件向低压区扩展。对柴油单组分替代燃料和三组分替代燃料液滴的模拟结果显示,三组分燃料液滴的初始加热时间更短,液滴寿命更短。最后,设计并搭建了高压定容燃烧弹实验台,并采用弹道光成像法和高速显微摄影法对液态燃料在不同温度和压力条件下的射流近场区域进行了观测。研究结果显示,随着环境压力的升高,射流液核表面的液丝剥离和空穴形成受到抑制,射流末期形成的液滴从亚临界蒸发现象转变为超临界混合现象,再到完全没有液滴生成。结合上述观测与分子动力学模拟的预测结果,建立了描述环境体条件对射流特性影响的分区图谱,并总结了亚/跨/超临界射流的模式特性。