高速液体射流广泛运用于动力机械燃烧系统中的液体燃料雾化和蒸发。对雾化和蒸发物理机理的解明将有助于对燃烧过程进行有效控制，最终提高燃烧效率，降低有害物质排放。根据液体在喷射过程中所处热力学状态的不同，可将高速液体射流分为过冷液体射流（Subcool liquid jet）、过热闪沸射流（Superheat flash boilingjet）以及超临界射流（Supercritical jet）。由于液体燃料的临界压力和临界温度就很高，超临界射流在动力机械燃烧系统中的运用还十分有限。本论文着重对过冷液体射流和过热闪沸射流的雾化和蒸发过程进行研究。由于热力学状态不同，过冷液体射流和过热闪沸射流的雾化和蒸发过程具有明显的差异，形成的喷雾具有显著的特征。就宏观物理机理而言，过冷液体射流的雾化是由于其在高速运动过程中受到惯性力、粘性力、表面张力和空气阻力共同作用下完成的，其蒸发过程只涉及液滴表面的传热和传质过程。过热闪沸射流则是由于过热状态下液体的热力学不稳定导致在连续流体的内部产生大量气泡，气泡的破裂使射流瞬间雾化（Prompt atomization），气泡内部蒸汽的释放极大加速液体蒸发（Fast vaporization）。相对于过冷液体射流，过热闪沸射流的雾化和蒸发过程更加复杂。为了揭示不同热力学条件下高速射流的雾化和蒸发机理，须从射流宏观特性入手，对雾化和蒸发过程中所涉及的众多物理量进行精确测量，进而进行全面、系统、深入地研究。对高速液体射流雾化和蒸发机理的研究须借助先进激光诊断技术的开发，这是由高速射流的时间瞬态性和空间随机性决定的。其中，对高速射流蒸发过程关键物理量的精确测量是学术界和工业界公认的难题。特别地，当射流由于过热发生闪沸后，射流空间范围内存在大量液滴和蒸汽，气液两相间的相互干扰大大增强，极大地提高了测试难度。本研究抓住影响高速液体射流蒸发的关键物理量并有针对性地开发相应的激光诊断技术，这些关键因素包括射流内部液相和蒸汽相的二维分布、蒸汽浓度的二维分布以及液体温度的二维分布。基于双相激光诱导荧光（Laser induced exciplex fuorescence, LIEF）技术对射流内部液相和气相分别测量。为了实现蒸汽浓度的定量测量，开发出一系列的定量标定程序和图像校正算法，对液相干扰（Crosstalk）、激光能量衰减（Laser energy attenuation）以及蒸汽浓度进行定量标定，最终实现蒸汽浓度的二维定量测量。为了实现射流内部液体温度二维分布的测量，本研究将双相激光诱导荧光与双色测温法（Two colorthermometry）相结合，开发出全新的温度测量方法。射流内部气液两相分布、定量蒸汽浓度分布以及液相温度分布数据的获取极大地丰富了对射流蒸发过程的认识，基于这些数据对蒸发机理进行细致深入地研究。激光诊断技术的建立为解明射流雾化和蒸发机理奠定了基础。对于雾化过程，本研究采用平面激光米氏散射技术（Planar Mie scattering）获取大参数范围内的射流宏观形态，开发图像处理算法计算射流的贯穿距、喷雾锥角等特征参数。在液体区域，射流的雾化过程是惯性力、粘性力、表面张力和空气阻力相互竞争的结果，利用无量纲数则可以定量表达作用力之间的相对大小。基于这一理念，本研究选取无量纲韦伯数（Weber number，We），雷诺数（Reynolds number， Re）及气液密度比（ρ0/ρ1）来定量表征作用力的相对大小。在破碎的整个时间域内建立无量纲数与喷雾特征参数间的定量关系，实现对射流破碎机理的解明。结果表明，液体射流破碎在时间轴上要经历初期破碎阶段和完全破碎阶段。在初期破碎阶段，射流内部存在一个连续流动的液核，液核以稳定的速度向远离喷嘴方向运动。液核的运动速度主要取决于惯性力和表明张力（We），气体阻力的作用次之，粘性力只在低雷诺数流动下才有一定影响。液核的存在时间则取决于惯性力、粘性力和空气阻力。当连续液核破碎成为液滴后，射流进入到完全发展阶段，在这个阶段空气阻力的影响大大增强，其他作用力的影响则相应削弱。各作用力在不同时间阶段对射流破碎的影响通过一组包含时间的无量纲公式来进行定量表达。当液体由于过热而发生闪沸后，上述四个作用力的影响大大削弱，气泡的行为对雾化过程起关键作用。本论文引入无量纲的环境压力与液体饱和蒸气压之比（Pa/Ps）来表征液体的过热度（superheat degree）及气泡的生长程度，建立闪沸喷雾特征参数与无量纲数之间的关系。结果表明，在完全闪沸阶段（Pa/Ps＜0.3），过热射流的雾化完全由蒸汽相主导，喷雾呈现显著的气体射流结构。在过渡过热阶段（0.3＜Pa/Ps＜1.0），射流的雾化也经历初期破碎和完全破碎阶段，但过热度对于各阶段的物理过程都具有显著影响。此外，在过热条件下由于气泡的生长导致射流宽度强烈膨胀，对于多孔喷雾而言，不同喷孔射流间的相互作用（Interaction）显著加强，最终形成闪沸喷雾独特的宏观结构。为了揭示射流相互作用对闪沸喷雾形成过程的影响，本论文专门设计了1、2、3、4、5、6孔喷嘴，通过对这些喷嘴射流宏观形态的观察系统阐述射流间相互作用在闪沸喷雾形成过程中的重要作用。结果表明，多孔射流相互作用导致喷雾内部形成局部“低压区”，喷雾则在低压区作用下向喷雾中心轴线汇聚，形成“坍塌”结构。综上所述，在液体喷射区域，射流的破碎由惯性力、粘性力、表面张力和空气阻力主导；在过渡过热区，射流破碎由气泡主导；而在完全闪沸区，则由射流相互作用主导。基于此，形成了完备的射流破碎机理。对于射流的蒸发过程，本论文则牢牢抓住气液两相分布、定量蒸汽浓度及液体温度分布在蒸发过程中的作用。首先从气液两相分布入手，对液体和闪沸射流的蒸发过程建立全局认识，定性了解不同热力学条件下高速射流的蒸发过程和物理机理。然后通过对蒸汽浓度定量分布的研究，揭示射流内部蒸汽浓度分布并计算喷雾内部蒸发速率，定量表征表面蒸发和内部沸腾对整个射流场蒸发过程的贡献。结果表明，在液体射流区域，液滴表面蒸发速度缓慢，射流内部流动方向单一，传热和传质过程缓慢。在过渡过热区，射流蒸发以内部沸腾为主，蒸发的时间尺度短，蒸发速率大大加快。同时由于低压区的作用，导致复杂的内部流动过程，极大地加快两相间的传热和传质过程，蒸发速率显著提高，在相同的液体温度下，闪沸喷雾的蒸发速率加快60%以上。通过对上述物理量的分析实现了液体射流和闪沸喷雾蒸发机理的解明。本论文涵盖了液体从喷孔喷出后由连续流体雾化成为离散液滴，离散液滴通过气液两相间的传热和传质转变成为蒸汽的整个过程，揭示了各个过程的物理机理，为以液体燃料为能源的燃烧系统设计打下了坚实的基础。