航空发动机、车用和船用内燃机等动力装置均存在湍流两相流,其中喷雾燃烧过程存在燃油液滴蒸发、雾化、破碎、碰撞、燃料自着火和火焰稳定等过程,涉及复杂的多物理化学耦合作用,决定了发动机的经济性和排放特性。本文基于Engine Combustion Network（ECN）开放平台的试验结果,开展了发动机工况下喷雾火焰大涡模拟研究,揭示了喷雾湍流燃烧相互作用以及火焰稳定机理,可为组织新型高效清洁燃烧提供理论指导。首先,基于KIVALES计算平台,耦合了三阶MUSCL差分方法,并引入线性涡湍流燃烧模型（LEM）,建立了高精度三维大涡模拟计算平台（LES-LEM）。与传统的准二阶迎风格式相比,三阶MUSCL格式可以改善对喷雾湍流涡结构以及油气混合过程的预测;而线性涡模型考虑了小尺度湍流燃烧相互作用,使得LES-LEM模型对喷雾火焰着火和火焰浮升长度的预测明显得到改善,特别是在低温850 K条件下,对火焰浮升长度的预测精度提高了20%以上。高精度LESLEM模拟平台可在宽工况（不同温度、氧气浓度、密度、燃料）范围内,不需要改变喷雾和燃烧模型参数,对着火过程和火焰稳定过程预测偏差分别低至7.4%和4%。其次,探究了喷雾火焰多阶段着火和火焰稳定机理。基于上述大涡模拟平台,对喷雾火焰中的多阶段着火过程进行了验证,并分析了其随初始条件的变化规律,发现初始温度影响了混合气活性和一阶段着火位置:低温850 K工况下,燃油从环境中吸收的热量有限,限制了混合气早期氧化速率,使得油气混合时间更长,导致一阶段着火首先出现在稀薄混合气区域;而高温1000 K工况下,燃油从环境中吸收了充足的热量,浓混合气活性更强,一阶段着火首先出现在浓混合气区域。进一步采用化学爆炸模态分析方法,分析喷雾火焰局部流动时间尺度和化学反应时间尺度的关系,发现:早起氧化阶段,局部流动时间尺度和化学反应时间尺度相当,低温反应形成的冷焰在喷雾前端快速向周围传播;高温着火后,局部流动时间尺度小于化学反应时间尺度,火焰稳定过程受自燃控制。再次,开展了喷雾与喷雾火焰相互作用机理研究。探究了不同初始温度两次喷射策略（喷油持续期、喷油间隔）下喷雾火焰相互作用过程。发现750 K低温环境严重限制了混合气活性,导致高温着火只发生一次且出现在二次喷油结束之后,混合气以稀薄预混燃烧方式为主;高温条件下两次喷油均发生了高温着火,与初次喷射相比,二次喷射着火延迟期缩短,预混水平严重不足,浓混合气扩散燃烧现象比较明显。进一步探究了二次喷射冷态喷雾与喷雾火焰的加速机理。发现冷态喷雾初次喷射产生的滑流区是引起二次喷雾加速的原因,而燃烧引起的气体膨胀是导致二次喷雾火焰加速最主要的因素。本文还探究了喷油间隔对喷雾火焰相互作用以及二次喷雾着火的影响机理。发现喷油间隔较短,初次喷雾火焰高温区直接点燃二次喷雾;喷油间隔延长,初次喷雾火焰与二次喷雾的相互作用变弱,二次喷雾局部化学反应时间尺度远小于流动时间尺度,着火过程受自燃控制。最后,基于以上着火基础理论和喷雾火焰燃烧现象分析,探究了喷雾火焰与预混气体相互作用过程。开展了甲烷/空气氛围下喷雾的着火和火焰发展的模拟研究。在低温条件下,甲烷抑制了喷雾中的低温反应,导致着火推迟;高温反应出现后,喷雾火焰加速了本身处于热爆炸状态的预混气自燃过程。提高初始温度,甲烷中的早期氧化引起的温度和压力升高以及产生的中间组分均可缩短喷雾着火延迟期,其影响程度由高到低依次为温度升高、中间组分和压力升高。