为应对日益严苛的排放法规以及能源结构转型的挑战,天然气被广泛应用为内燃机替代燃料。但当今主流的天然气以及双燃料发动机技术均无法同时满足排放法规规定与高动力经济性需求,故高压天然气缸内直喷技术引起了学界的广泛关注。为了利用高压燃气缸内直喷技术实现缸内分层燃烧从而提升动力与经济性并改善排放,就必须实现喷射正时-点火提前角协同精确控制以及保证缸内优良的燃料分层状态以及燃料分布情况,因此必须全面地掌握高压天然气射流的宏观发展特性与浓度分布特性。但相关仿真研究面临边界条件设定依据与结果对照数据的缺失的问题,目前必须依赖可视化测试技术对高压天然气射流特性进行初步系统地研究。本文搭建了气压高达31MPa的喷气系统,并利用平面激光诱导荧光技术与纹影法对高压燃气射流特性展开全面系统的研究,并对微观浓度特性以及宏观发展特性进行结合分析阐述射流发展特点。首先,本文根据试验需求搭建了高压喷气及供给系统、PLIF试验系统及标定系统、纹影法试验系统,选择了基于质量流率的计算标定法作为本试验的PLIF标定方法,并从参数设定、光学设备位置关系、试验操作等多方面确保了系统精度。在高压燃气喷射浓度场发展特性研究中,根据其发展特征创新性地将浓度场发展分为3个时期:初期、浓度波动期、浓度稳定期,并且将发展到稳定期的高压燃气射流浓度场划分为4个区域:核心激波区、浓度膨胀速降区、浓度波动区与低浓度扩散区,随后研究总结了射流体平均浓度、激波核心区平均浓度、浓度波动区平均浓度各自的发展规律与喷气压力对其的影响。分析指出,可压缩流体管路补压延迟对高压燃气射流浓度发展与分布特性影响巨大、其影响效果与喷气压力呈正比,并且由于可压缩流体高压膨胀作用导致射流体与环境气体的作用整体较弱,故掌握补压延迟以及加强空气作用对提升直喷天然气发动机的性能具有重要意义。在针对浓度梯度的研究中指出,在稳定期随着喷气压力的升高,射流体激波核心区浓度梯度由1.53 mg/(m L·mm)升高至1.89 mg/(m L·mm),膨胀速降区浓度梯度由0.0435mg/(m L·mm)升高至0.0947 mg/(m L·mm),射流体特征浓度梯度由0.0741 mg/(m L·mm)升高至0.1444 mg/(m L·mm);在浓度波动区内,其轴向浓度梯度在喷射后0.6 ms之后仍处于波动状态并在喷射后1.0 ms时明显降低,其到达最低值用时与喷气压力呈反比;其横向浓度梯度在喷射后0.6 ms之后呈总体上升趋势,但由于射流体外层扰动导致其与喷气压力无明显关系。以上分析指出,提高喷气压力可以有效增强空气掺混效率,有利于混合气的形成,并且掌握高压喷气浓度梯度分布特性对相关仿真研究以及缸内燃烧控制具有实际价值。在高压燃气喷射宏观特性研究中,分别分析总结了射流体贯穿距离、射流体初始速度推测值、射流发展速度下降率、马赫盘高度的发展规律以及喷气压力对其的影响。之后利用统计学方法,验证了纹影法与PLIF得到的数据具有很好的相似性;通过对比射流体平均浓度发展规律与射流体贯穿距离发展规律,发现射流初期由蓄压腔内喷出的少量高压气体直接影响射流体贯穿距离发展;通过对比马赫盘高度发展数据与激波核心区平均浓度发展数据,发现在激波核心宏观结构稳定后核心区气体仍持续补充直至流入流出气体流量达到动态平衡。上述结论初步揭示了高压燃气射流的浓度场与宏观发展规律及特性,阐述了喷气压力以及各类现象的影响,有助于相关仿真研究以及缸内精确控制工作的进行。