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针对全球性的能源和环境问题，当前发动机各种新概念燃烧方式的提出以及各种替代燃料的出现等都对燃油喷射系统的性能提出了更高要求。高喷油压力和小喷孔直径的技术发展趋势使得开展喷嘴内部空穴两相流动特性及其对喷雾混合过程影响的研究也越发重要。基于此，本文开展了原型透明喷嘴与比例放大5倍透明喷嘴内部空穴流动的可视化试验，及微尺度透明喷嘴内速度场的PIV测试，基于比例相似性对生物柴油及柴油不同燃油在不同结构喷嘴内的空穴流动特性、特殊的水力柱塞流流动特性及其对喷雾特性的影响开展了系统地研究。 全文主要内容及创新性研究成果如下: (1)采用聚碳酸酯材料开展高压共轨燃油喷射系统原型透明喷嘴内流试验，首次获得燃油喷射压力高至50MPa时随针阀运动喷孔内瞬态空穴流动的分布图像，并将其与比例放大5倍透明喷嘴内的空化流动进行对比，揭示了空穴流动的比例相似性。 (2)提出了喷孔内空穴临界初生的判断方法，首次采用PIV技术实现了微小尺度透明喷嘴内高速度流场的测试，验证了空穴临界初生对孔内流动及速度场分布的重要影响，推动了喷嘴内部流动研究从定性研究向定量研究的过渡。 (3)首次研究了柴油和生物柴油在不同长径比结构喷嘴中的空穴流动形态及其对喷雾特性的影响，研究结论为柴油发动机燃用生物柴油提供了理论基础。 (4)在比例放大5倍透明喷嘴内流及喷雾的可视化试验台上，首次对多孔喷嘴内可能出现的水力柱塞流现象开展了系统地研究，给出了水力柱塞流出现和消失的判断依据，提出了水力柱塞流出现过程中的能量损失问题，并基于空泡动力学理论知识对其展开全面分析。研究得出了影响水力柱塞流出现与否的影响因素及一旦出现后对孔内流动和喷雾的影响特性。从而，本研究为真实燃油喷射系统有效规避水力柱塞流的出现提供了理论参考。 (5)首次系统开展了喷射压力降序调节过程中喷孔内部的空穴流动特性及其对喷雾特性影响的试验研究，揭示了其与喷射压力升序调节过程中喷孔内流动存在的差异，为合理调整发动机的燃油喷射策略提供了借鉴。 本文的研究成果为燃油喷射系统的性能优化、喷雾性能的进一步改善及生物柴油在柴油发动机上的应用提供了理论指导及详实的试验数据。特别是所开展的喷嘴内部水力柱塞流方面的试验研究和理论分析对柴油发动机合理规避这种不良流动现象具有重要的实际指导意义。