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随着我国经济社会的快速发展,能源形势和环境问题日益严峻。尤其是最近几年空气污染及其治理问题已经受到了全社会的关注。以石化燃料为动力的内燃机,尤其是柴油机的尾气排放颗粒物被认为是大气中细颗粒物的主要来源之一。发展高效低污染的发动机成为内燃机行业目前发展的一个重要方向。高压燃油喷射雾化技术被认为是提高发动机燃烧效率、降低缸内燃烧阶段颗粒物形成的重要手段之一。目前,柴油机燃油喷射压力在不断提高,超高压燃油喷射技术将很可能应用到未来柴油机上,成为先进柴油机的特征之一。目前,人们对超高压燃油喷雾机理的认识还非常不足。超高压燃油的喷雾特性、雾化机理、试验/理论/数值模拟方法、数学建模等方面都亟待研究和理解。本文针对超高压燃油喷射雾化数值仿真研究中需要用到的液滴破碎模型展开研究。首先,对目前广泛应用在高压燃油雾化模拟中的KH-RT(Kelvin-Helmholtz Rayleigh-Taylor)液滴破碎模型的预测性能进行了分析。具体研究内容包括:(1)基于喷雾试验结果对KH-RT液滴破碎模型进行了校准。结合宏观喷雾特性与微观喷雾液滴粒径的试验结果,对模型中的关键常数进行了校准。(2)分析了校准后的KH-RT液滴破碎模型在应用到超高压燃油喷射雾化过程中的预测性能。(3)研究了环境背压、燃油喷射压力对KH-RT液滴破碎模型预测性能的影响。其次,对现有KH-RT液滴破碎模型进行了改进,提出了 SS-KH-RT(Supersonic Kelvin-Helmholtz Rayleigh-Taylor)液滴破碎模型。新模型考虑了超声速液滴存在的气体可压缩性效应,并整合了超声速液滴破碎时间Pilch模型。然后,通过对比高压燃油喷雾的试验结果对SS-KH-RT液滴破碎模型中新引入的模型常数Cb进行校准,并开展了不同环境背压和喷油压力条件下的超高压燃油雾化模拟研究。研究结果表明,当环境背压为0.5MPa时,SS-KH-RT破碎模型模拟对超高压燃油喷雾贯穿特性的模拟误差比KH-RT破碎模型低将近50%。随着环境背压的增加,KH-RT模型预测的喷雾贯穿距离误差逐渐增加。而SS-KH-RT破碎模型的贯穿距离曲线则始终与试验结果保持良好吻合。SS-KH-RT破碎模型对于变背压的适应性能要显著强于破碎KH-RT模型。最后,采用SS-KH-RT破碎模型对超高压燃油雾化机制进行了仿真研究。研究了超高压喷射压力对喷雾演变、液滴破碎特性、喷雾气体卷吸特性、喷雾动能传递特性等方面的影响。通过对超高压燃油喷射条件下的液滴破碎、气体卷吸和动能传递特性三方面的量化分析,探讨了超高压燃油喷雾存在的特殊机制和规律。研究结果表明,当喷油压力达到500MPa之后,继续增大喷油压力对于提高喷雾贯穿距离的能力将减弱,喷油压力对喷雾液滴全场SMD的影响很微弱。随着喷油压力的提高,喷雾场内亚声速和超声速液滴的数量均增加。高压燃油喷雾(喷油压力为200MPa)时的亚声速和超声速液滴数量峰值数量级为1012,比超高压喷雾(喷油压力为300MPa～700MPa)的液滴数量低1至2个数量级。当燃油喷射压力提高到超高喷射压力范围后,喷雾动能耗散占比将随喷油压力的提高而显著增加。从动能传递角度出发,提出了燃油雾化效率和气液动能传递效率的概念。以燃油雾化效率和气液动能传递效率值为指标,超高压燃油喷雾问题存在临界压力值(当前喷油条件下,临界喷油压力为600MPa)。在该临界喷油压力值处的燃油雾化效率和气液动能传递效率最高。继续增加喷油压力,则燃油雾化效率和气液动能传递效率就会降低。