燃油喷雾撞壁是现代内燃机不可避免的物理过程，它促进了受限空间的燃油与空气混合，影响缸内混合气分布，进而优化燃烧和降低有害排放。因此，深入理解并探究喷雾撞壁后近壁区域的混合、燃烧和污染物生成机理，对实现内燃机高效清洁燃烧有重要意义。本文运用了从介观到宏观的多种数值模拟方法构建了新的喷雾撞壁模型，结合定容燃烧系统和发动机台架试验，研究了内燃机喷雾撞壁机理、近壁区域混合气形成、燃烧过程以及污染物生成与演化，提出了近壁区域燃烧控制新方法。
　　首先应用光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)研究了单液滴撞壁过程，结合大量单液滴撞壁试验结果，提出了液滴冲击不同壁面条件发生飞溅的阈值。发现液滴冲撞壁后的形态由液滴入射条件和壁面边界条件共同控制，且在高冲击能量、高壁温和壁面液膜较厚条件下呈现一定程度的随机性。当液滴冲击干壁面，入射能量较低(Re＜4000)且壁面温度较低时，液滴存在明显的飞溅阈值，可通过无量纲数Oh数和Re数来定义(OhRe=17)；而入射液滴Re数高于4000或壁温高于液体沸点时液滴飞溅状态均会表现出随机不确定性。当液滴冲击液膜，液膜厚度较低时(H*＜0.1)，液滴存在明显的冠状飞溅阈值Oh-0.4We=1400；当液膜厚度较高时(H*＞0.1)，液滴飞溅状态开始出现随机性。通过数值模拟研究和试验数据分析，提出单液滴瞬态飞溅质量分数子模型，揭示了二次液滴分布规律。
　　在单液滴撞壁研究基础上，在Kiva3v计算平台上构建了基于单液滴撞壁形态的喷雾撞壁模型和考虑表面弯曲压力效应的液膜动力学模型，并在定容燃烧系统中分别对正十三烷、柴油和汽油进行了模型验证和测试。结果表明新模型能准确预测更宽广的边界条件下的喷雾撞壁形态和液膜发展过程。对柴油喷雾撞壁燃烧过程的研究中发现喷雾撞壁后近壁区域火焰发展主要由近壁区域环境温度决定。当环境温度较低时，近壁区域油气混合不充分，沉积油膜较多，火焰由外向内掠过油膜并形成池火，火焰不均匀且易熄灭；提高壁面温度，可加速油气混合，改善燃烧过程。环境温度较高时，加速了近壁区域混合气的形成，膜沉积量少，火焰发展均匀稳定。降低喷雾撞壁角度，可扩大近壁高湍动能区域影响范围，加速喷雾下游油气混合速率，提高燃烧效率。在整个近壁燃烧过程中，撞壁喷雾燃烧碳烟主要在近壁面浓混合气区域产生，喷雾混合和沉积油膜分布对其有决定性的影响；而NOx直接产生于高温燃烧区域，大部分在扩散燃烧过程中生成。
　　基于对近壁区域燃烧过程的探讨，提出了通过热障涂层(Thermal Barrier Coatings, TBC)控制和改善近壁区燃烧过程。在Kiva3v计算软件构建了热障涂层模型，研究了涂层对缸内燃烧过程的影响。发现涂层通过降低近壁区域传热损失，加速了近壁区域燃油与空气的混合，提高了燃烧速率，缸内燃烧温度和爆发压力增大。同时，近壁高温区域范围明显扩大，提高了挤气区域缸套附近的温度，加速了碳烟区域的氧化，但导致NOx排放升高。涂层的热物理性质中，材料傅里叶导热系数和空隙率直接决定了涂层热效应。在保证力学性能前提下降低导热系数，提高空隙率可使发动机循环更接近绝热工况。
　　最后综合应用作者所发展的喷雾撞壁模型和涂层计算模型，研究了汽油/柴油双燃料化学活性控制压燃(Reactivity Controlled Compression Ignition，RCCI)和汽油压燃低温燃烧(Gasoline Compression Ignition, GCI)两种新型燃烧方式近壁区燃烧特性及污染物生成演化规律。发现RCCI燃烧中早喷柴油发生湿壁，火焰由燃烧室中心区域产生并逐渐向边界和挤气区域扩展。GCI中无喷雾湿壁现象发生，火焰在燃烧室凹坑边界形成并逐渐向内部发展。热障涂层可抑制喷雾湿壁现象，使得燃烧相位提前，燃烧持续期缩短，提高近壁区的温度，促进不完全燃烧产物氧化，从而降低HC和CO排放。同时，热障涂层也可显著降低近壁区域碳烟浓区范围，但会导致NOx增加。