柴油机在工程机械领域充当着动力源的作用,面对大气环境的恶化及日益严格的排放法规,对柴油机的燃烧排放性能提出了更大挑战。喷雾质量的好坏直接影响柴油机的燃烧及排放性能,研究表明喷雾雾化过程除受空气动力因素影响外,更与喷嘴内流场密切相关。随着柴油机多次喷射技术的广泛应用,非稳定阶段的喷油比重相应增加,针阀启闭阶段的喷油动态过程值得深入研究。对于非稳定(启喷、断油)阶段的研究大多集中于喷孔结构及喷射条件,对于体积占比较大的压力室还缺乏更为细致的分析,如压力室结构对启喷阶段和断油阶段空化的影响,尤其是压力室对断油阶段空化引起的气体倒流现象影响更为显著。基于透明喷嘴与可视化试验台,利用高速摄影机结合背光成像技术对不同压力室结构(球形压力室、锥形压力室)的喷嘴进行了可视化图像采集。在喷油压力30MPa工况下,两种压力室的喷嘴在针阀抬起至针阀升程全开的过程中均不发生空化,在针阀抬起过程中,上次喷油末期残余的气泡被冲击破碎。在针阀落座过程中,两种喷嘴在空化演变上具有显著差异,球形压力室喷嘴的空化发展过程具有层次性,空化位置及次序依次为:喷孔入口拐角、喷孔内全空化、压力室内空化;锥形压力室喷嘴空化发展较为急促,孔内和压力室基本同时空化初生,较难捕捉到二者空化的先后顺序;另外,锥形压力室喷嘴的空化溃灭时刻及流场稳定时刻均迟于球形压力室喷嘴。利用Linux系统下的OpenFOAM计算平台,构建基于VOF(Volume of fluid)方法的两相三组分空化求解器,依据Sou的准二维喷嘴试验数据进行了数值可靠性验证。随后,采用该模型分别数值模拟了压力室转捩角度和压力室内压力波动对孔内空化的影响,结果得出:同等条件下,压力室转捩角度在90度附近时更易于孔内空化初生,较大和较小的压力室转捩角度均会增大喷孔缩脉系数,抑制空化初生及发展;在压力室压力周期波动条件下,质量流量呈振幅逐渐增加的周期波动,随后稳定波动,孔内空化强度呈波动上升的形式,随后稳定波动,两者的波动周期在时刻上均与压力波动具有一定相位差。基于同样的数学模型分析压力室对喷嘴断油过程瞬态流动的影响,并与断油试验结果进行对比。分析指出:对于标准球形压力室喷嘴,在断油阶段孔内和压力室依次发生空化,压力室空化体积较大,空化的溃灭使外部空气倒流,在喷嘴内形成气泡柱或离散气泡。断流之后压力室中具有较强涡量,进而形成涡空化形态,存在一个压力室空间体积极限值使得压力室内空化体积最大。最后,对球形压力室和锥形压力室结构喷嘴在断油阶段的空化及气体倒流进行对比研究,球形压力室主要以旋涡运动导致的涡空化形态存在,锥形压力室主要以流体拉伸作用主导的带状空化存在,且其最大空化体积大于球形压力室空化体积。对于球形压力室因旋涡运动相对于拉伸作用摩擦耗散更多,进而使空化溃灭更为迅速,燃油惯性流出体积更多,最终气体倒流量较大。