喷油嘴雾化性能直接影响柴油机的燃烧效果，近年来人们借助各种手段对喷油嘴内部空化流动的初次雾化进行了分析研究，试图为柴油机气缸内的燃烧提供精确的边界条件，以改善柴油机燃烧性能。为此，本文以国家自然科学基金项目[51176045]和国家留学基金项目[留金发[2012]3022-201208430262]为依托，采用数值仿真与实验相结合的方法，研究了柴油机喷油嘴雾化性能，并对其进行了多学科设计优化，论文的创新点和主要研究工作如下：（1）建立了高压喷油嘴喷射过程空化效应数学模型，并对高压喷油嘴喷射过程空化效应进行了数值模拟分析，得出了曲率半径、压力波动幅度及柴油对高压喷油嘴喷射过程空化效应的影响规律，并对数值模拟的结果进行了对比验证。随着喷油嘴入口处的曲率半径增大，喷孔内气体体积分数越来越小，空穴层的厚度也越来越薄，高压喷油嘴雾化性能变差；随着压力波动幅度的减少，喷油嘴出口质量流量变化程度越来越小，有利于喷油嘴喷油量的精确控制。（2）研究了燃油的特性（密度、动力粘度）对喷油嘴内部空化流动的影响：温度对燃油的物理性质如密度、弹性模量都有一定的影响，随着温度的升高柴油的黏度降低、密度减小，黏度的降低使得柴油在流动过程中压降损失减小，喷油嘴内部气体分数增加，从而有利于燃油的雾化，但是这种变化不显著；雷诺数对喷油嘴内部空化基本没有影响，相反空穴数对其影响显著；生物柴油与一般柴油相比，生物柴油更易抑制空穴的发生；燃油的密度，动力粘度对喷油嘴出口的质量流量，空穴体积分布都有一定的影响，但是密度对质量流量的影响更为显著，动力粘度在喷油嘴进出口压力差较小时影响明显。（3）建立了柴油机喷油嘴内部空化流动多学科设计优化模型，并采用自适应混沌算法对其求解，求得目标函数的最优解。结果表明：经优化后，喷油嘴内气体体积增加9.04%，压力损失减少13.3%，出口质量流量增加11%。优化后的喷油嘴内部空穴流动性能增加了8.2%。