燃油喷雾质量很大程度上决定了柴油机燃烧效能,为有效提升柴油机的燃油经济性并实现更低的碳烟生成,柴油机的喷油压力有越发攀高的趋势。目前正在研制的高压共轨柴油发动机,其喷油压力已远高于传统柱塞泵燃油喷射方式,甚至已达300 MPa的超高压力范畴。超高压燃油喷雾研究已逐步成为柴油机燃烧研究的热点问题。基于计算流体动力学的数值模拟方法能克服目前实验测量技术在气液两相速度场同时测试上的短板,具有节约实验成本、提供大量流动细节等优势,被广泛用于燃油喷雾及燃烧研究。雷诺时间平均Navier-Stokes（Reynolds Averaged Navier-Stokes,RANS）以及大涡模拟（Large Eddy Simulation,LES）是最经典的湍流模拟手段,它们与拉格朗日粒子追踪（Lagrangian Particle Tracking,LPT）技术的结合是当前高压燃油喷雾液滴扩散建模的常用方法。相比常规高压喷雾,超高压喷雾的燃油液滴尺寸更小,运动速度更快,不同尺寸的燃油液滴在自由和碰壁喷雾诱导气相流场中的扩散过程不尽相同。大尺度湍流结构引起的液滴扩散是高速燃油喷射过程中的一个重要现象,超高喷油压力条件下更精细液滴在湍流中扩散演化及建模方法亟待获得深入研究。本文从工程应用角度出发,基于Open FOAM开源代码平台对超高压燃油喷雾液滴湍流扩散过程及建模方法进行了详细的研究。论文主要工作和成果有:首先,采用高精度LES方法对超高压自由喷雾、碰壁喷雾不同的扩散过程进行了仿真研究。研究了不同喷油压力条件下整体喷雾的瞬态扩散规律以及局部喷雾的准稳态扩散规律。研究结果表明,随着时间的推移,液滴与剪切涡的瞬态相互作用导致下游喷雾边缘液滴速度最小,且较大液滴（d﹥12μm）越来越靠近喷雾边缘,而液滴与壁面涡的瞬态相互作用导致壁面喷雾上部液滴速度最小,且液滴尺寸随轴向距离变化的趋势不明显;随着喷油压力的增加,准稳态阶段下游喷雾、壁面喷雾2～12μm粒级液滴与大尺度涡之间的相互作用强度基本不变,但相互作用时间增加导致液滴扩散的最大范围都明显增加,而较大液滴扩散范围随喷油压力变化的趋势明显不同。其次,将传统RANS方法分别应用于超高压自由喷雾、碰壁喷雾湍流扩散过程的仿真研究。研究了工程中最常用的随机液滴湍流扩散（Discrete Random Walk,DRW）模型的适用性和传统方法的计算精度。研究结果表明,传统方法结合DRW模型计算的超高压燃油液滴湍流扩散过程完全违背利用LES揭示的运动规律,而不考虑DRW模型的传统方法计算所得液滴局部大量密集,导致自由喷雾、碰壁喷雾液滴湍流扩散过程预测与LES方法相比均存在明显差异。然后,将非分区RANS/LES混合方法——部分平均Navier-Stokes方程（Partially Averaged Navier-Stokes,PANS）分别应用于超高压自由喷雾、碰壁喷雾湍流扩散过程的仿真研究,同时与LES和RANS进行了对比。研究结果表明,采用PANS混合方法替代传统方法不仅可以提高液滴扩散运动和分布计算精度,还可以使尺度解析模型对网格尺度的依赖性明显下降。最后,基于PANS-LPT模型开展了超高压多段喷雾湍流扩散过程的仿真研究。研究了两段喷油策略对自由喷雾整体扩散运动形态及分布特性的影响规律。研究结果表明,采用多段喷油技术有利于提高超高压自由喷雾扩散分布,降低喷雾上游中心燃油质量,改善混合气组织,为实际超高压发动机结合多段喷油技术降低原始排放提供了理论依据。