湍流扰动、空气动力学、孔内空化效应是当今学者公认的影响燃油破碎雾化的三个主要因素,其中空化效应对燃油的分裂雾化有着本质的影响。在喷油器实际工作过程中,喷射压力、针阀运动和喷孔结构尺寸(喷孔长径比、喷孔倾斜角度、喷孔入口锥角)等都会对空化产生不同程度的影响。本文以雷诺数、空化数等无量纲参数为动力相似性准则,建立实验放大比例的喷嘴模型与实际小尺寸原型喷嘴之间的比尺效应,并开展空化特性可视化实验。根据不同喷射压力下放大比例喷嘴内的空化结果,建立了准确的空化数值计算过程中的多相流模型、湍流模型和空化模型。不考虑GDI喷油器的内壁面传热效应,建立了一个喷油周期内GDI喷油器液压单元和机械单元的动力学模型。综合喷油器各部分子模型,仿真得到一个喷油周期内针阀的运动速度、位移以及喷射压力随时间的变化曲线,并通过Fluent/Matlab联合仿真平台为空化的瞬时特性数值研究提供计算所需的物理边界条件。在一个喷油周期内针阀上行和下行运动过程中,设计不同长径比、喷孔倾斜角、喷孔锥度的喷孔,研究喷孔结构对孔内瞬时空化流动特性影响结果如下:(1)保持喷孔长度不变,随着喷孔直径的增加,空化发生的区域逐渐增大,并从喷孔壁面往喷孔中心扩展。瞬时平均出口质量流量和平均出口燃油流速都随着长径比的增加而减小,长径比L/D=3.6、3.0、2.4各孔的平均出口质量流量依次为1.30 g/s、0.85 g/s和0.58 g/s;各孔的燃油平均出口流速分别为126m/s、122m/s和118m/s。喷孔入口湍动能受针阀运动影响较大,随着针阀上升,喷孔的入口湍动能减小,反之,喷孔的入口湍动能逐渐增大。而出口湍动能受喷孔长径比和针阀运动的影响不明显。(2)喷孔倾斜角度增加,燃油顺着流道延伸到喷孔远壁面,远壁面处空化被抑制。喷孔低压区集中在喷孔的近壁面处,近壁面空化程度因此得以加强,且喷孔倾斜角越大,超空化区域的延伸长度越短,厚度越大。在针阀移动过程中燃油的平均出口质量流量出现急促的抖动,当针阀停留在最大位移处时,小喷孔倾斜角的1号孔(α=30°)的平均出口质量流量最大,为0.86 g/s,其次是2号孔(α=40°)为0.81 g/s以及6号孔(α=50°)为0.77 g/s。喷孔倾斜角不影响燃油的平均出口流速,针阀升程最大时,1、2、6号喷孔的孔内燃油平均流速都是122 m/s。(3)相比于直孔,渐扩型喷孔远壁面上的静压更小,燃油在接近喷孔出口时流速更低,喷孔内空化程度也比直孔更加强烈。在喷油时刻,渐扩型喷孔(k-=)的出口平均空化体积分数大约稳定在0.55,而直孔(k=)的出口空化体积分数稳定在0.12,仅是渐扩型喷孔的五分之一。直孔的出口平均质量流量和平均出口流速都要大于渐扩型喷孔,在喷油过程中,4号孔(k=)出口平均质量流量稳定在0.58 g/s,平均出口流速稳定在117 m/s;5号孔(k-=)出口平均质量流量只有0.41 g/s,平均出口流速为112 m/s。对于入口平均湍动能,渐扩型喷孔的入口燃油湍流扰动强度要大于直孔,而对于出口平均湍动能,二者无明显差异。