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为进一步优化燃烧效率、瞬时响应特性及燃烧过程可控性,新一代缸内直喷汽油机（GDI）燃油喷射压力被提高至35MPa,且50MPa超高压喷射系统已经进入研发阶段。虽然GDI喷射压力仍远低于柴油机,但由于汽油饱和蒸汽压高于柴油(Psat|汽油≈80kPa,Psat|柴油≈30kPa),更易发生空化,因此其燃油喷射过程喷孔内极易出现类似柴油机的空化多相流态,进而对喷孔流量和射流破碎造成显著影响。在这种背景下,以喷孔内瞬时空化多相流态为起点,对GDI燃油喷射过程进行研究,明晰喷孔内空化现象的发生、发展、溃灭及形态变异等瞬时演变机理,充分考虑空化效应对喷孔流量及瞬时喷雾特性的影响,可以实现更为精确可靠的GDI超高压燃油喷射过程控制。本文以GDI喷油器临界空化数一维数学模型构建为切入点,在揭示GDI喷孔内存在空化多相流态的基础上,结合数值模拟技术与阴影成像可视化试验,围绕两个科学问题展开研究——“空化形态瞬时演变机理及其对雾化过程的影响机制”与“不凝性气体对空化强度的影响机制及空化强度的主动控制方法”。为证明以喷孔内空化多相流态为起点对GDI燃油喷射过程进行研究的必要性,并在宏观稳态特征层面建立GDI孔内空化与燃油雾化的直接联系,本文结合流量及喷雾数据,构建用以计算临界空化数及喷孔流量系数的一维空化模型,以此分析GDI喷油器常用工况。结果表明:（1）GDI喷油器常用工况下,流动空化数（K=1.031.19）小于其对应的临界空化数(Kcrit=1.141.34),以临界空化数为边界的空化区域可完全覆盖GDI喷油器常用工况;（2）超空化流态对喷孔流量及喷雾特性的影响最为显著,表现为喷雾锥角在该流态出现峰值、流量发生“塌陷”（即不再随压差增大而进一步增大）。在明确空化现象多维建模涉及主要子模型（多相流、湍流及相变）的基础上,研究多相流与湍流计算方法对空化现象多维数值模拟精度的影响,以准确模拟喷油器孔内空化强度及瞬时微观形态。结果表明:（1）在孔内空化多维建模时可将蒸汽相视作完全的随动相,令其运动受液相支配;（2）大涡模拟及考虑雷诺应力各向异性的雷诺应力湍流模型能够准确模拟片空化及云空化结构,计算所得孔内气相体积分数呈周期性变化（时长约1ms）,可用于对喷孔内空化形态的瞬态演变机理进行分析。结合大涡模拟与阴影成像试验对喷孔内回流区空化进行分析,以探索喷雾锥角在稳定工况下依旧非定常的孔内诱因、揭示喷孔内片空化及云空化的周期性演变机理、明确其对雾化过程的影响机制。结果表明:（1）受回射流切割作用影响,云空化团在稳定工况下周期性脱落,并分为由片空化整体脱落及由片空化末端脱落两种形式,具体形式由片空化长度及回射流强度共同决定;（2）云空化团溃灭前后流场内压力、速度及涡量会出现明显的差异波动,同时沿横向分布的不均匀性也被加剧;（3）喷雾凸块尺寸与位置的变化会导致喷雾锥角在稳定工况下依旧非定常,而云空化团在喷孔内外溃灭均会使喷雾出现凸块（前者通过对孔内流场的扰动作用于喷雾,后者直接作用于喷雾）,且凸块尺寸与云空化团尺寸正相关,但云空化团溃灭仅是喷雾凸块产生的充分非必要条件。结合速度张量第二不变量数值模拟与阴影成像试验对喷孔内漩涡空化进行分析,以探索喷油器在高压小针阀升程工况下出现裙状喷雾的孔内诱因、揭示喷孔内漩涡空化的产生及瞬时演变机理、明确其对雾化过程的影响机制。结果表明:（1）喷孔内形成的液相漩涡是漩涡空化产生的直接诱因,当液相漩涡强度足够大时,背压气体会在逆压梯度作用下回流进入喷孔,形成漩涡空化的主体结构,另外在液相漩涡涡核处膨胀的不凝性气体及蒸汽同样是漩涡空化的重要组成部分;（2）漩涡空化流态出现时,下游喷雾会在液相漩涡施加给射流的离心力与漩涡空化对液流出口截面的“改变”（由圆形至圆环形）共同作用下呈现裙状结构,使喷雾锥角得到大幅提升;（3）漩涡空化流态并不稳定,液相漩涡对背压气体的凝聚作用及背压气体对液相漩涡的干扰作用会不断相互影响,使孔内流态呈规律性的周期性变化（可分为7个阶段）,喷雾锥角受此影响,在稳定工况下依旧非定常,随液相漩涡强度增大而增大、随漩涡空化对液相漩涡的干扰增强而减小。提出内层为不凝性气体相、外层为蒸汽相的混合气泡机理模型,并通过详细的数学演绎建立考虑不凝性气体影响的三相流空化模型,而后结合可压三相流空化多维模拟与阴影成像试验进行研究,以揭示液相中不凝性气体对喷孔内空化的影响机制、探索采用不凝性气体干涉空化强度的可行性方案。结果表明:（1）液相中不凝性气体通过自身在孔内低压区的膨胀和提高相变速率两种途径促进回流区空化强度的提高;（2）压差恒定时,喷孔内空化强度随液相中不凝性气体含量的增加而加强,进而促进射流一次破碎,证明采用向液相工质中充入不凝性气体的方式可以实现对喷孔内回流区空化强度的主动控制。纵观研究工作,本文由GDI喷孔内存在以空化为诱因的复杂多相流态出发,结合多维数值模拟与阴影成像可视化试验,揭示了喷孔内片空化、云空化、漩涡空化等微观空化形态的瞬时演变机理及其对雾化过程的影响机制,证明了不凝性气体对空化强度的显著促进作用,探索了采用不凝性气体干涉空化强度的主动控制方法,研究结论可进一步完善喷油器孔内空化效应相关基础理论,为超高压喷射GDI汽油机燃油喷射过程理论分析及精确控制提供重要理论依据。