排放法规对碳烟排放限制日益严格,为发动机性能设计提出了更高的要求。数值模拟具有研发周期短、成本低的优点,已经成为发动机研发的重要手段。而碳烟生成机理非常复杂,其生成过程同时涉及气相化学反应动力学和颗粒动力学,受到燃油种类、环境温度、压力和当量比等诸多因素的影响。因此,模拟发动机中碳烟排放过程是一项非常艰巨和有挑战性的工作。对于模拟柴油机燃烧过程,以多组分柴油表征燃料为对象已成为一个趋势。但是目前广泛采用的碳烟模型大都依据单组份燃料开发出来,无法满足多组分燃料的要求。所以本文研究主要目的是利用不同分子结构的燃料氧化生成多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)的差异性构建碳烟模型,从而体现碳烟生成的不同路径,以便更换燃料时不需要调整模型中的反应系数,具有普适性。以此为目标,本文构建了几种多组分燃料的PAHs骨架模型,并在此基础上,构建了一个以PAHs为前驱物的碳烟模型生成与氧化的半经验模型。这些模型分别在基础反应器、定容弹和发动机中进行了比较广泛的验证,显示出良好的性能。本文完成的主要工作如下。1、系统的介绍了当前碳烟生成与氧化机理及其半经验模型的研究现状,简要归纳了柴油表征燃料的主要特点及其发展趋势；对多种燃料PAHs的详细机理及其骨架模型的研究现状进行了比较系统的综述和分析。2、通过分析燃油分子结构对PAHs影响与其对碳烟的影响规律,确定了在半经验碳烟模型中选用PAHs作为碳烟前驱组分的必要性。用PAHs骨架模型描述碳烟前驱组分的生成过程可以反映出不同分子结构燃料对碳烟生成特性的影响。基于这一思想提出了构建多组分燃油的碳烟半经验模型的方法。3、PAHs作为碳烟前驱组分直接影响碳烟生成过程。为了提高碳烟模型准确性,本文构建了4环PAHs骨架模型,以同时兼顾各类燃料生成PAHs的路径特点。经过反复优化的PAHs骨架模型与基础燃料(Primary Reference Fuel, PRF)氧化模型耦合,组成了新的PRF-PAHs骨架模型。通过与激波管、层流预混火焰和对冲火焰实验数据的对比,验证了新模型的准确性。以此为基础构建的碳烟模型也得到激波管实验的验证,并应用到定容弹和发动机燃烧多维计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模拟中。4、将甲苯氧化的骨架机理纳入上述PRF-PAHs骨架模型,组成了一个新的甲苯参比燃料(Toluene Reference Fuel, TRF)生成多环芳烃的TRF-PAHs骨架模型。通过激波管、流动反应器和射流搅拌反应器实验,对此模型进行了验证与优化。最终的TRF-PAHs骨架模型包含73种组分和207个反应,它既能准确预测着火滞燃期,也能较准确地计算组分摩尔分数。以此为基础构建的碳烟模型经过了激波管实验的验证,并应用到发动机多维CFD模拟中。5、分别构建了正癸烷和甲基环己烷氧化生成PAHs的骨架模型,并与甲苯和异辛烷骨架模型耦合组成了柴油多组分表征燃料燃烧过程中PAHs生成的骨架模型,共包括88个组分和224个反应。该模型经过与实验值对比验证得到验证,最后与碳烟模型耦合并模拟了定容弹和柴油机燃烧和排放过程。