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高压燃油喷射已经成为现代柴油机改善发动机燃烧和排放的有效措施之一，随着燃油喷射压力的不断提高，喷油器喷嘴出口燃油射流速度也随之不断增加。此外，先进发动机技术的应用，例如燃油预喷以及低温燃烧等技术，使得燃油喷射时刻的缸内当地声速不断下降，因此，超声速燃油喷射已经成为现代柴油机的普遍现象。当燃油射流速度超过声速后，会在射流周围诱导产生激波，激波的发展和传播会对燃油喷雾的发展和雾化产生明显影响。
本论文采用试验和数值仿真相结合的方法，对超声速燃油射流诱导激波演化规律及对喷雾特性的影响开展研究，以射流马赫数为桥梁，建立了激波特征参数与射流马赫数的对应关系，量化了高压喷射条件下诱导激波对喷雾宏观结构参数以及油气混合特性的影响，同时，开展了激波对喷雾流场特征参数的影响研究，揭示了激波对喷雾宏观结构及混合特性的影响机理。论文主要研究工作包括:
首先，采用纹影技术以及平面诱导激光技术，从宏观和微观两个角度研究了不同燃油喷射压力和环境压力下的超声速射流和诱导激波特征参数演化规律。以射流马赫数为桥梁，分析不同马赫数下超声速射流诱导激波的演化规律，并研究激波特征参数与射流马赫数的相关性。研究表明:超声速燃油射流诱导激波主要分为弓形激波和斜激波两类，随着燃油喷射压力的不断提高，燃油喷雾前锋面马赫数也随之增加，激波结构由弓形激波向斜激波转化，获得了不同工况条件下的激波特征参数随喷雾前锋面马赫数的演化规律。对激波角和喷雾前锋面马赫数试验结果进行非线性拟合，提出了激波角度与喷雾前锋面马赫数的计算公式，公式能够实现激波角度的准确预测。
其次，在SF6和N2两种不同的背景工质条件下，研究了超声速射流诱导激波对喷雾宏观参数演化以及喷雾浓度分布特性的影响。由于SF6气体当地声速要远小于N2，在相同的背景气体密度以及燃油喷射压力工况下，可以实现SF6环境下的超声速以及N2环境下的亚声速，通过对比相同工况条件下的喷雾宏观参数，全面分析了超声速射流诱导激波对喷雾宏观特性的影响。另外，结合燃油喷射质量流量特性曲线，量化了超声速射流诱导激波对喷雾雾化特性的影响。同时，基于自主设计的模拟燃烧室结构，分析了激波在燃烧室内的反射和传播对喷雾演化规律以及混合特性的影响。以上研究表明:激波有助于喷雾在轴向上的发展，但是对于喷雾径向的发展具有抑制作用。燃油喷射压力60MPa，喷油后0.5ms，SF6环境下的喷雾贯穿距比N2环境下高13.1％。随着喷油压力的提高，激波对喷雾影响程度减小，燃油喷射压力140MPa下，喷油后0.5ms，SF6环境下的喷雾贯穿距比N2下高6.6％。通过对喷雾卷吸空气量以及平均当量比的分析发现，激波的传播有助于喷雾与空气的快速混合。激波在燃烧室内的反射和叠加同样会对喷雾发展和混合特性产生影响，研究表明，反射波对喷雾贯穿距的影响很小，主要抑制了喷雾锥角的发展，反射波还会导致喷雾轮廓的不对称发展。
最后，采用LES大涡模拟结合VOF计算方法，进一步研究了超声速燃油射流诱导激波特性及对喷雾特性的影响机理，分析了激波对喷雾流场参数的影响以及激波与喷雾发展的相互作用关系。在验证仿真模型基础上，扩展研究范围，研究了超高压燃油喷射压力下的激波特性，研究表明，高射流马赫数条件下，超声速射流诱导激波结构会同时具有斜激波和弓形激波特征结构;激波通过后的气体的密度、压力、温度均会提高，随着燃油射流马赫数的提高，参数变化程度随之提高，燃油喷射压力320MPa下，激波面前后最大的密度比、压力比、温度比分别为2.46，2.01和1.15，激波后温度的增加有助于提高燃油喷雾的着火特性，流场压力扰动的变化会促进喷雾与空气的混合。
本论文的研究揭示了超声速燃油射流诱导激波特性及其对燃油喷雾雾化的影响，研究工作能够为柴油机新技术下的喷雾雾化机理建模提供数据基础，同时可以为燃烧室喷雾雾化效果优化提供方向，对现代柴油机匹配优化设计具有重要意义。
本论文采用试验和数值仿真相结合的方法，对超声速燃油射流诱导激波演化规律及对喷雾特性的影响开展研究，以射流马赫数为桥梁，建立了激波特征参数与射流马赫数的对应关系，量化了高压喷射条件下诱导激波对喷雾宏观结构参数以及油气混合特性的影响，同时，开展了激波对喷雾流场特征参数的影响研究，揭示了激波对喷雾宏观结构及混合特性的影响机理。论文主要研究工作包括:
首先，采用纹影技术以及平面诱导激光技术，从宏观和微观两个角度研究了不同燃油喷射压力和环境压力下的超声速射流和诱导激波特征参数演化规律。以射流马赫数为桥梁，分析不同马赫数下超声速射流诱导激波的演化规律，并研究激波特征参数与射流马赫数的相关性。研究表明:超声速燃油射流诱导激波主要分为弓形激波和斜激波两类，随着燃油喷射压力的不断提高，燃油喷雾前锋面马赫数也随之增加，激波结构由弓形激波向斜激波转化，获得了不同工况条件下的激波特征参数随喷雾前锋面马赫数的演化规律。对激波角和喷雾前锋面马赫数试验结果进行非线性拟合，提出了激波角度与喷雾前锋面马赫数的计算公式，公式能够实现激波角度的准确预测。
其次，在SF6和N2两种不同的背景工质条件下，研究了超声速射流诱导激波对喷雾宏观参数演化以及喷雾浓度分布特性的影响。由于SF6气体当地声速要远小于N2，在相同的背景气体密度以及燃油喷射压力工况下，可以实现SF6环境下的超声速以及N2环境下的亚声速，通过对比相同工况条件下的喷雾宏观参数，全面分析了超声速射流诱导激波对喷雾宏观特性的影响。另外，结合燃油喷射质量流量特性曲线，量化了超声速射流诱导激波对喷雾雾化特性的影响。同时，基于自主设计的模拟燃烧室结构，分析了激波在燃烧室内的反射和传播对喷雾演化规律以及混合特性的影响。以上研究表明:激波有助于喷雾在轴向上的发展，但是对于喷雾径向的发展具有抑制作用。燃油喷射压力60MPa，喷油后0.5ms，SF6环境下的喷雾贯穿距比N2环境下高13.1％。随着喷油压力的提高，激波对喷雾影响程度减小，燃油喷射压力140MPa下，喷油后0.5ms，SF6环境下的喷雾贯穿距比N2下高6.6％。通过对喷雾卷吸空气量以及平均当量比的分析发现，激波的传播有助于喷雾与空气的快速混合。激波在燃烧室内的反射和叠加同样会对喷雾发展和混合特性产生影响，研究表明，反射波对喷雾贯穿距的影响很小，主要抑制了喷雾锥角的发展，反射波还会导致喷雾轮廓的不对称发展。
最后，采用LES大涡模拟结合VOF计算方法，进一步研究了超声速燃油射流诱导激波特性及对喷雾特性的影响机理，分析了激波对喷雾流场参数的影响以及激波与喷雾发展的相互作用关系。在验证仿真模型基础上，扩展研究范围，研究了超高压燃油喷射压力下的激波特性，研究表明，高射流马赫数条件下，超声速射流诱导激波结构会同时具有斜激波和弓形激波特征结构;激波通过后的气体的密度、压力、温度均会提高，随着燃油射流马赫数的提高，参数变化程度随之提高，燃油喷射压力320MPa下，激波面前后最大的密度比、压力比、温度比分别为2.46，2.01和1.15，激波后温度的增加有助于提高燃油喷雾的着火特性，流场压力扰动的变化会促进喷雾与空气的混合。
本论文的研究揭示了超声速燃油射流诱导激波特性及其对燃油喷雾雾化的影响，研究工作能够为柴油机新技术下的喷雾雾化机理建模提供数据基础，同时可以为燃烧室喷雾雾化效果优化提供方向，对现代柴油机匹配优化设计具有重要意义。