在全球化石能源日益枯竭与环境法规日趋严格的形式下,研发高效低污染的发动机至关重要。新概念发动机的提出和实现使高喷射压力、高增压、高背压等技术措施被广泛应用。而对于大多数烃类燃料的临界压力主要分布在1.5-3.0 MPa的范围内,内燃机的喷雾和雾化环境已接近或者超过燃油的临界点。因此有必要对内燃机气缸内燃油在跨临界及超临界状态下的喷射雾化和蒸发过程进行深入的研究与探索。本文应用大涡模拟和分子动力学模拟方法对跨临界/超临界射流,以及界面现象进行深入探讨,以期从宏观和微观上对超临界流体与周围流体的混合特性与规律获得比较深入的了解。本文主要开展的工作及结论如下:(1)对PISO算法做适当的修改,纳入真实流体状态方程和非常规的输运系数,使其适应于跨临界/超临界射流的研究,并用一维激波管以及二维喷管对其进行验证。计算表明,对算法的改进可以用于跨临界/超临界射流的模拟研究。之后对跨临界/超临界液氮射流进行雷诺平均模拟研究,重点考察了立方形PR与SRK状态方程和湍流模型对射流特性的影响。(2)运用大涡模拟方法对低温液氮射流进行数值模拟,主要研究了跨临界/超临界工况、伪临界点和环境压力对超临界射流的影响。通过对比跨临界与超临界射流的混合特征,发现超临界射流表面更倾向于形成不稳定涡,这些涡促进射流与周围流体的混合,形成较短的“液核”区域,因此射流可以较快到达自相似状态。通过研究定压比热与密度梯度的关系,发现大的比热容区域比较容易形成大的密度梯度。(3)基于跨临界射流模型,构建一个无初始密度分层的“冷态”流体模型,重点探讨了伪沸腾及伪临界点对超临界射流的影响,结果表明,受伪临界点的影响,低温射流流体更倾向于往下游发展,从而形成较大的密度区域。同时伪临界温度基本对应于密度梯度最大的区域,表明温度、密度与密度梯度的分布受到伪临界点的影响,但速度场和湍动能的分布受其影响不大。当流体温度跨越伪临界温度即伪沸点时,流体从环境吸收的热能主要用于流体自身体积的膨胀,而非使其自身的温度升高,这与亚临界下的沸点是类同的。传统的热力学临界点仅仅是在临界压力下才有“临界”意义,而在更高的压力下,则必须用伪沸点代替之。因此,对于超临界流体,伪沸点的理论意义和实用意义都要大于临界点。(4)对柴油表征燃料正庚烷射入充满空气的超临界环境中进行大涡模拟。考察了临界性质、热物性和输运特性对跨临界/超临界燃油射流特性的影响。与低温液氮射流类似,超临界射流更倾向于与周围流体混合,并形成了较小的“液核”区域,同时形成了较小的密度梯度分布。由于环境流体的“溶解”效应,相比单一流体,混合流体的伪沸腾现象受到抑制,伪临界温度下的定压比热降低。对射流的分裂特征进行研究发现,跨临界射流存在“液态”核心区,而超临界直接步入“气体”稠密核心区,其界面厚度比较宽。通过对跨临界/超临界流场进行POD分析发现,超临界射流更容易生成涡结构,涡结构的分布范围比较广,超临界射流工况下涡比较容易形成且更倾向于往径向发展。(5)基于OPLS-AA全原子势函数,采用“气-液-气”模拟盒模型研究了跨临界/超临界工况、以及不同环境压力下正庚烷的蒸发特性。结果表明,随着氮气环境压力的增大,气液能量交换增强,并形成较大的混合层厚度。相比于跨临界环境,超临界模型中的氮气分子可以较早的扩散至液相区域,液相的温度升高较快,并很快形成统一的超临界流体。同时,基于联合原子势函数,对液相正庚烷液相射入亚临界/超临界环境进行非平衡分子动力学模拟,结果表明,随着环境压力的增大,气液界面逐渐拓宽,液相与气相之间连续过渡。基于密度曲线定义的界面厚度随着环境压力的增大而变宽,这与宏观尺度下利用密度梯度定义的界面厚度得出的结论相一致。