闪急沸腾是内燃机燃油喷射过程中出现的瞬态剧烈气液相变现象。准确描述内燃机工况条件下过热燃油闪急沸腾过程中液滴内气泡成核机理和长大破碎规律,对明晰闪急沸腾物理本质解至关重要。本文从热动力学和传热学分析入手,建立了一种新的单液滴内闪急沸腾模型,以内燃机常用替代燃料及其掺混燃料为研究对象,针对单液滴闪急沸腾过程中的形态演化和传热特性展开研究。(1)首先对单组分和二元混合液体的均质成核现象进行研究。基于非平衡热力学理论,利用单组分液体气液相变过程中化学势差与气泡半径之间的关系,得到气泡临界半径的表达式。对于二元混合液体,提出了一种改进的泡点压力估算模型,在此基础上研究二元燃料混合物的均质成核现象,并通过泡点压力模型得到了各组分在气相中的摩尔分数。利用均质成核模型,对二甲醚(DME)分别掺混正癸烷和正十二烷的二元混合体系的均质成核过程进行计算和分析,获得单组分和二元体系的过热度极限温度(SLT),并讨论了几种环境压力下DME掺混比对均质成核的影响。利用该模型可为单组分和二元混合物闪急沸腾提供初始工况条件。(2)在成核模型的基础上,提出了一种新的单组分液滴内闪急沸腾模型。与以往的闪急沸腾模型相比,该模型以气泡-液滴系统为研究对象,包括改进的均质成核子模型、气泡生长子模型和气泡爆炸子模型。通过与过热水中气泡演化过程的实验数据对比,验证了模型的有效性。利用该模型较好地预测了 DME单液滴内气泡成核、生长以及液滴破碎全过程,预测了液滴平均温度在气泡生长演化过程中的变化,分析讨论燃油温度对DME气泡生长的影响。此外,定量地给出了大范围燃料温度和环境压力下的沸腾爆炸时间,对预测液滴的二次破碎具有重要意义。最后,将该模型应用于其他燃料中,研究不同燃料单液滴闪急沸腾条件下气泡生长演化特性。(3)为了研究汽油机中过热的二元混合燃料液滴的蒸发和微爆特性,在单组分液滴闪急沸腾模型基础上,利用改进的泡点压力模型,提出了一种集闪急沸腾全期各子过程为一体的多组分液滴瞬态闪急沸腾模型。模型在计算过程中考虑温度和浓度对燃料物理性质的影响,并采用两个平行的判据来预测沸腾爆炸的时间,对不同配比的DME/正戊烷液滴中的气泡生长和蒸发特性进行预测。结果表明,较大的DME掺混比例和较高的液体温度可以缩短表面张力控制阶段的持续时间,加快气泡的生长,从而缩短沸腾爆炸时间。在相同液滴温度条件下,混合液滴中DME的蒸发速率随DME掺混比例的增大而增大,并同时使蒸发速率的最大值在时间轴上前移。此外,沸腾爆炸时间图还指明了二元混合液滴发生闪急沸腾所需的液体温度和DME质量分数的适当区域。(4)采用液滴悬挂技术和高速摄像机对单组分和二元混合燃料单液滴的蒸发和微爆特性进行实验观察。实验选取正丁醇和正十六烷为单组分试液,以二者的稳定混合物为二元混合试液,在环境温度分别为537 K、555 K、573 K、591 K和609 K条件下进行实验,定量分析液滴蒸发和微爆特性。结果表明,单组分液滴的蒸发特性遵循经典的d2定律,液滴在不同环境温度下的蒸发过程可分为瞬态加热和稳定蒸发两个阶段。而二元混合液滴的蒸发特性可划分为三个阶段,包括瞬态加热阶段、波动蒸发阶段和稳定蒸发阶段。其中,波动蒸发是由于液滴内部汽化造成的,在一定条件下,波动蒸发阶段液滴会发生微爆现象,这与液滴的过热程度pa/Psat有关,当pa/psat<1时液滴会发生微爆。对于二元混合物,沸腾爆炸强度随环境温度的升高呈近抛物线的变化规律。