柴油发动机的实际工作运行中,气缸内存在着极为复杂的多尺度湍流结构,与燃油的喷雾和燃烧过程有着强烈的相互作用。为了进一步改进柴油机的整体燃烧性能、降低主要污染物的排放,详细了解缸内湍流、喷雾、燃烧的本质属性及之间相互作用机理至关重要。本文针对利用大涡模拟的方法数值研究柴油机气缸内的燃油喷雾燃烧过程,目标在于得到极大涡模拟框架内亚网格尺度湍流与燃油喷雾之间相互作用的计算方法,并与更为详细的燃烧反应机理相结合,实现柴油机缸内喷雾和燃烧过程较高准确度的三维数值模拟,从而显著改进模拟结果的可靠性,使其能更好地支持柴油机缸内燃烧技术的改进。本文以KIVA喷雾燃烧数值模拟程序为平台,利用大涡模拟模型替代原有基于雷诺平均的湍流模型。在此基础之上,核心理论研究工作主要由以下两个部分组成。一、关于湍流与燃油喷雾之间相互作用的理论研究,本文首先针对亚网格尺度上高速运动的燃油液滴对气相湍流强度影响,利用反褶积方法对该影响进行理论推导和求解,求解结果作为源项被添加到亚网格湍动能的输运方程。所得亚网格模型被用于定容燃烧室内无蒸发喷雾过程的模拟,并与现有简单大涡模拟模型及雷诺平均模型的结果进行比较,结果表明,模拟所得喷雾形态和贯穿长度有了很大的提升,并且在一定程度上降低了大涡模拟对网格密度的要求。其次,考虑到实际燃油组分较为复杂的本质特征,本文基于连续热力学思想,利用一个概率密度函数描述实际燃油组分的分布,建立了能够模拟实际燃油液滴蒸发的多组分蒸发模型,并得到该组分分布的一、二阶矩的大涡模拟过滤输运方程。通过该输运方程的求解,湍流流场对于液滴蒸发过程的影响能够得以考虑。所得大涡模拟多组分液滴蒸发模型取代原有单组分模型,被用于模拟柴油机缸内工作条件下的燃油喷雾燃烧过程。结果表明,相对于雷诺平均模型以及单组分液滴蒸发模型,当前大涡模拟多组分液滴蒸发模型能够较为显著地改进模拟结果,与实验数据取得了很好的吻合。二、本文尝试通过构建更为详细的燃油燃烧反应机理,改进燃烧反应过程的模拟精度,并与第一部分研究工作相结合,进一步提升柴油机气缸内湍流喷雾燃烧模拟的总体准确度。在美国Lawrence国家实验室的以癸酸甲酯、癸烯酸甲酯和正庚烷为替代组分的生物柴油复杂反应机理(包含3299种组分及10806个基元反应)的基础上,本文利用路径通量分析方法对该复杂机理进行了简化,最终得到了一个包含160种组分及601个基元反应的骨架化学反应机理。通过在不同压力、温度、当量比等条件下对封闭式均质反应器、完美搅拌反应器以及一维层流预混火焰进行计算,所得骨架反应机理的准确性得到了验证,表明其能够以合理的计算效率很好地复现原复杂机理的燃烧特性。结合KIVA喷雾燃烧数值模拟程序以及CHEMKIN化学反应求解器,本文利用该骨架反应机理实现了柴油机缸内条件下的生物柴油喷雾燃烧过程的三维数值模拟,经过与实验结果的比对,模拟结果较好的整体准确度得到了验证。