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内燃机缸内气流的湍流运动是内燃机工作过程中各物理化学子过程的基础,强烈影响内燃机的整体性能及排放水平。缸内湍流呈现明显的多空间尺度特性,由大尺度宏观流动、中等尺度拟序结构以及小尺度高频脉动叠加而成,不同空间尺度涡团对油气混合过程、污染物生成以及热传导过程的影响各不相同。为了深入认识内燃机缸内的强瞬变、强压缩、强旋转和各向异性（三强一异）状态下湍流的多空间尺度特性,本文借助三维激光粒子测速技术（3D PIV）以及大涡模拟方法（LES）开展了直喷汽油机稳态滚流比的测量与评价、缸内多空间尺度湍流瞬态运动特征以及可变滚流影响下缸内湍流多空间尺度特性及其循环变动等三个方面的研究。主要内容与结论如下:在稳态滚流比的测量与评价的研究方面,本文采用稳流试验与3D PIV相结合的方法研究了某直喷汽油机缸盖在不同气门升程下缸内流场三维速度分布特征。通过分析可视区域、气道压差、测量平面位置对测试结果的影响,明确了该测试方法的适用性,实现了对滚流的直接测量与评价。研究表明,随气门升程增大,稳流缸套内测试平面的截面法向速度对称性增强,而平面内速度几乎不变。随着测量平面远离缸盖底平面向下移动,排气门侧的截面法向流动形态由双峰演变为单峰形式。同一位置处该缸盖的滚流比随气门升程增加呈现非单调变化。随测试平面下移,滚流比对可视区域的依赖程度降低,在距离缸盖底平面0.5倍缸径位置处（0.5D）,滚流比对气道压差的变化敏感度最低。0.5D位置处3D PIV的直接测试方法比与采用涡流动量计的间接测试方法所得平均滚流比相近。在缸内多空间尺度湍流瞬态运动特征的研究方面,本文采用高速3D PIV技术测得了光学发动机对称面上三维速度,研究了进气及压缩冲程平均速度场及脉动场的三维特征和中小尺度涡团的瞬态运动特征。研究表明,平均流动在进气阶段呈现出明显的离面运动趋势,滚流的形成能降低截面法向速度值,整体以面内二维流动特征为主。但在压缩冲程末期(280o CA ATDC之后),滚流破碎之后再次呈现出三维运动特征。流场不同方向平均动能变化规律较为一致,而湍动能的三个分量在不同阶段规律不同。滚流涡心在压缩冲程后期移动轨迹整体呈顺时针方向,且瞬时涡团尺度要明显小于平均流场对应的涡团尺度。提升转速会显著降低平均涡团尺度,但涡团强度有所增加。在可变滚流影响下缸内湍流多空间尺度特性及其循环变动的研究方面,对一台配备可变进气装置的直喷汽油机缸内冷态流场进行了多周期LES研究,并通过PIV实验进行了验证。改进了湍流拟序结构识别方法,实现了对缸内多尺度湍流的合理划分,系统地研究了大尺度滚流对缸内湍流多空间尺度特性及其循环变动的影响。研究表明,在中低转速（<3000 r/min）下关闭翻板都能够形成高强度滚流,且转速与滚流比峰值成正比。强滚流能够在160280oCA ATDC增加垂直方向积分长度尺度,最大值为1.93×10-2 m。在压缩末期,强滚流能够形成更小的柯尔莫戈洛夫尺度,压缩上止点前30oCA平均柯氏尺度为2.0×10-5 m。各个分流场（对应不同尺度涡团）长度尺度及能量依次降低,高强度滚流能够提高平均流场占能比,并降低能量耗散,有利于保持缸内动能至压缩末期。在压缩末期各个尺度涡团存在明显的能量级联现象。中等尺度拟序结构对整体流场循环变动起到决定性的作用。采用可变进气技术组织高强度滚流,能够降低中低转速下循环变动现象。