空穴现象的研究目前已经成为发动机及相关领域的一个热点。针对未来超低排放、甚至零排放的排放法规,现代柴油机不断地提高喷射压力,进行超高压和超细喷孔喷射,以满足新型燃烧方式高效、清洁、低噪声燃烧的要求。最新的研究表明,在高压和脉动喷射条件下,压力室内存在强烈的高频压力震荡,小尺度喷孔内会存在“气泡”(空化)现象,而这种喷孔内的流态和空化现象会影响喷孔近场的流态、油滴破碎及其与空气的混合过程。由于该现象固有的复杂性,目前国内外对此研究较少。因此,深入理解喷孔内空泡形成的机理不仅对于流体力学和两相流的研究具有重要的理论意义,而且将对柴油喷射系统的发展和混合过程控制方法产生重要的影响。本文首先采用混合网格技术建立了实际柴油喷嘴的三维数值模型的计算网格,分析了网格质量对于计算精度的影响。研究表明,传统的结构化网格并不适用于相对复杂的喷孔内部结构,而混合网格能够准确地捕捉到喷油孔入口处详细的几何结构,从而提高了整个计算过程的收敛速度和稳定性。通过对喷孔入口圆角处边界层的加密,成功预测到第一个空泡产生的位置。对比计算分析表明,最优的网格尺寸大小为0.2μm-0.6μm总体网格数达到1600000个,实现了对喷孔壁面处压力、粘度和密度梯度分布的计算分析。在对现有的各种空泡成核机理假说进行论证分析的基础上,结合近几年国内外实验研究进展和作者在相关研究领域所取得的数值模拟计算成果,本文提出了新的空泡成核准则式,并耦合不同的湍流动力学模型,进行了空泡的成核、发展和溃灭历程的数值模拟研究。研究结果表明,以气相体积分数和质量分数构成新的成核准则数,能够更加实际地反映喷孔中空泡的数量以及分布特征。在此基础上,分析比较了Singhal模型和Zwart-Gerber-Belamri模型对于实验结果的预测能力,证实了Singhal模型关于空泡的分布预测更为接近实验值,较准确地反映空泡平均气相体积分数的变化趋势；而Zwart-Gerber-Belamri模型则仅仅反映了空泡沿喷孔壁面出现的位置,与实验值相差甚远。通过对RNGk-ε模型、改进的k-ε模型和标准k-ε模型的耦合计算,结果表明：RNGk-ε模型和改进的k-ε模型对于喷孔内流场的结构、空泡的分布和湍动能分布的预测,较标准k-ε模型更为合理。通过进一步对空化数和雷诺数进行无量纲化处理,对不同喷孔位置空泡的生成、增长、碰撞和破碎过程进行了计算分析,揭示出空泡的生成伴随着强烈的周期性现象；在连续空化的条件下,喷孔出流对喷雾场有着较大的扰动,并且喷孔出流越不稳定就越有利于喷孔近场的雾化；随着喷射压力的提高,使得孔内的流动变化更加剧烈和不稳定,空化效应增强。另外,针对不稳定空化过程进行整个喷孔内的计算,结果与实验值基本吻合,说明了本文提出的计算模型和计算方法合理、有效。为进一步研究喷孔内流态和空化现象对强化燃油喷雾雾化混合过程的影响,作者设计制作了进气道燃油喷射定容混合装置,在专用柴油机试验台架上开展了通过缸外制备均质混合气以实现柴油HCCI燃烧的试验研究,探讨了喷射压力和燃油温度对于均质混合气制备效率的影响。结果表明,当喷射压力从75bar增加至200bar时油气混合率明显增加,进一步增加喷油压力则对油气预混合率的改善有限。从试验发动机的排放性能来看,在低速、低负荷工况,当喷油压力大于15MPa时,增加喷油压力对CO2排放影响很小。提高燃油的温度和喷射压力可提高柴油机高负荷下的燃烧效率,并减少HC的排放。采用本研究设计的油气混合装置,能显著地降低柴油机全运行工况下HC的排放。试验中还进一步探讨了燃油喷射压力和燃油温度之间的匹配关系。实验结果表明,保持喷射压力不变,同一负荷下CO排放随着燃油温度的升高而降低；在同一燃油温度下,提高喷油压力则有利于降低CO的排放。在HCCI燃烧的各试验工况下,柴油机均显示出极低的NOx和碳烟排放,且HC的排放也较低,处于50-150ppm范围内。