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优化燃油的喷射和雾化质量是提高内燃机的燃油经济性和降低其排放的最有效途径之一。然而，由于内燃机较高的喷射压力和较小的喷嘴几何尺寸，内燃机喷嘴内流和燃油射流破碎耦合的机理尚不清晰。本文基于改进的欧拉混合多流体-准VOF模型研究内燃机喷嘴内流和近场喷雾耦合特性，从微观过程本质对其物理问题进行深入探究，分析和确定影响喷嘴内流与近场喷雾的各物理参数的作用机制。本文主要完成的工作如下:
首先，基于开源程序OpenFOAM框架，本论文建立了空化子模型与欧拉混合多流体-准VOF模型的耦合模型。根据气泡的经典成核理论预测液体燃油内气泡数密度，结合气泡数密度和Rayleigh-Plesset气泡成长动力学方程，建立空化子模型。耦合建立的空化子模型与多流体模型，考虑相间的拖曳力、虚拟质量力和表面张力，同时采用界面压缩技术建立改进的欧拉混合多流体-准VOF模型，改进的欧拉混合多流体模型既能考虑相间质量和动量传递又能捕捉气液界面。通过对比模拟的空化结果和光学喷嘴的实验拍摄图像，证明了改进的欧拉混合多流体-准VOF模型能够精确地预测喷嘴内空化现象。在此基础上，采用改进的混合多流体模型对ECN提供的空化型喷雾C喷嘴进行喷嘴内流和近场喷雾的整体研究。研究发现，在发展空穴中喷嘴内燃油抛物线型的速度分布会导致在空穴区域末端产生脱离壁面的燃油蒸气尾流;在近场喷雾区液体燃油和空气存在较大的速度差，导致气液相间产生很强的拖曳力，特别是在蘑菇形射流头部;近场射流破碎主要分为两个区域:拖曳力导致的蘑菇头破碎区和以空化、湍流、拖曳力三者共同主导的主喷雾区;增加背压会抑制空化形成，但能提高流量系数，增加射流破碎角。
其次，应用自主开发的改进的混合多流体-准VOF模型和大涡模拟方法研究了高压内燃机喷嘴内残余气泡对喷嘴内流和喷雾近场的影响。首先根据文献中实验结果验证模型的有效性，结果表明，改进的混合多流体模型预测的主喷雾区瞬态破碎过程与实验高速相机成像结果吻合较好。研究发现，湍流扰动、气液界面处较大的速度梯度以及燃油与空气间的速度差导致了KH不稳定性;气液密度梯度以及压力梯度会促使RT不稳定性在受扰动的气液界面处形成;残余气泡可以直接增强一次破碎和湍流扰动，特别是在蘑菇形射流头部区域，较大的且距离喷孔入口较近的残余气泡对一次破碎的促进作用更强。
再次，基于改进的混合多流体-准VOF模型研究了喷嘴几何形状和高频波动的喷射压力对喷嘴内流和射流破碎的影响。首先对比在恒定喷射压力和100kHz的正弦规律变化的喷射压力下ECN提供的几何相似的空化型喷雾C喷嘴和非空化型喷雾D喷嘴的喷嘴内流和近场喷雾特征。然后以非空化型喷雾D喷嘴为原型，保持喷孔的进口和出口直径不变，而在距离喷孔入口为喷孔长度的1/4、1/2和3/4处将喷孔直径分别改为160μm，获得三种不同缩放程度的缩放喷嘴，研究喷嘴几何对喷嘴内流和近场喷雾的影响。研究发现，超空化能大幅增强喷嘴内流和射流表面的湍流强度，空化型喷雾C喷嘴的近场喷雾分为两个阶段:超空化形成前的缓慢破碎阶段和超空化形成后的快速剧烈破碎阶段，而非空化型喷雾D喷嘴的射流破碎发展较为缓慢;由于不稳定的空化现象，波动的喷射压力对喷雾C喷嘴射流破碎的影响要大于喷雾D喷嘴射流破碎的影响;缩放喷嘴对射流破碎有促进作用，缩放程度越大对射流的破碎影响越大。
最后，构建了可压缩双流体-准VOF模型，模型考虑了表面张力的作用。在工质物性方面，根据实验数据建立以温度和压力为变量的燃油密度状态方程，采用PR状态方程和Sutherland方程分别计算空气的密度和粘度。在湍流涡结构捕捉方面，在可压缩大涡模拟的湍动能方程里添加相间的湍流扰动源项来考虑相间的扰动传递。通过比较不同喷射条件下的质量流量、流量系数、喷雾动量通量和有效射流速度，结果表明数值模拟结果与实验测量值吻合较好。在研究锥形喷嘴射流破碎时发现，射流分为完整液柱区和射流破碎区，完整液柱区的扰动沿着距离喷嘴出口的轴向长度增长，受喷射时间的影响较小，射流破碎区的扰动则随着喷射时间变长而剧烈增长，是射流发生破碎的主要因素;表面张力具有抑制液滴雾化和促进燃油液柱与液带破碎的双重作用;气液界面处较大的速度梯度会引起比较明显的粘性热，环境温度升高会降低空气密度，导致气液相间作用力减弱，射流液核变长。
首先，基于开源程序OpenFOAM框架，本论文建立了空化子模型与欧拉混合多流体-准VOF模型的耦合模型。根据气泡的经典成核理论预测液体燃油内气泡数密度，结合气泡数密度和Rayleigh-Plesset气泡成长动力学方程，建立空化子模型。耦合建立的空化子模型与多流体模型，考虑相间的拖曳力、虚拟质量力和表面张力，同时采用界面压缩技术建立改进的欧拉混合多流体-准VOF模型，改进的欧拉混合多流体模型既能考虑相间质量和动量传递又能捕捉气液界面。通过对比模拟的空化结果和光学喷嘴的实验拍摄图像，证明了改进的欧拉混合多流体-准VOF模型能够精确地预测喷嘴内空化现象。在此基础上，采用改进的混合多流体模型对ECN提供的空化型喷雾C喷嘴进行喷嘴内流和近场喷雾的整体研究。研究发现，在发展空穴中喷嘴内燃油抛物线型的速度分布会导致在空穴区域末端产生脱离壁面的燃油蒸气尾流;在近场喷雾区液体燃油和空气存在较大的速度差，导致气液相间产生很强的拖曳力，特别是在蘑菇形射流头部;近场射流破碎主要分为两个区域:拖曳力导致的蘑菇头破碎区和以空化、湍流、拖曳力三者共同主导的主喷雾区;增加背压会抑制空化形成，但能提高流量系数，增加射流破碎角。
其次，应用自主开发的改进的混合多流体-准VOF模型和大涡模拟方法研究了高压内燃机喷嘴内残余气泡对喷嘴内流和喷雾近场的影响。首先根据文献中实验结果验证模型的有效性，结果表明，改进的混合多流体模型预测的主喷雾区瞬态破碎过程与实验高速相机成像结果吻合较好。研究发现，湍流扰动、气液界面处较大的速度梯度以及燃油与空气间的速度差导致了KH不稳定性;气液密度梯度以及压力梯度会促使RT不稳定性在受扰动的气液界面处形成;残余气泡可以直接增强一次破碎和湍流扰动，特别是在蘑菇形射流头部区域，较大的且距离喷孔入口较近的残余气泡对一次破碎的促进作用更强。
再次，基于改进的混合多流体-准VOF模型研究了喷嘴几何形状和高频波动的喷射压力对喷嘴内流和射流破碎的影响。首先对比在恒定喷射压力和100kHz的正弦规律变化的喷射压力下ECN提供的几何相似的空化型喷雾C喷嘴和非空化型喷雾D喷嘴的喷嘴内流和近场喷雾特征。然后以非空化型喷雾D喷嘴为原型，保持喷孔的进口和出口直径不变，而在距离喷孔入口为喷孔长度的1/4、1/2和3/4处将喷孔直径分别改为160μm，获得三种不同缩放程度的缩放喷嘴，研究喷嘴几何对喷嘴内流和近场喷雾的影响。研究发现，超空化能大幅增强喷嘴内流和射流表面的湍流强度，空化型喷雾C喷嘴的近场喷雾分为两个阶段:超空化形成前的缓慢破碎阶段和超空化形成后的快速剧烈破碎阶段，而非空化型喷雾D喷嘴的射流破碎发展较为缓慢;由于不稳定的空化现象，波动的喷射压力对喷雾C喷嘴射流破碎的影响要大于喷雾D喷嘴射流破碎的影响;缩放喷嘴对射流破碎有促进作用，缩放程度越大对射流的破碎影响越大。
最后，构建了可压缩双流体-准VOF模型，模型考虑了表面张力的作用。在工质物性方面，根据实验数据建立以温度和压力为变量的燃油密度状态方程，采用PR状态方程和Sutherland方程分别计算空气的密度和粘度。在湍流涡结构捕捉方面，在可压缩大涡模拟的湍动能方程里添加相间的湍流扰动源项来考虑相间的扰动传递。通过比较不同喷射条件下的质量流量、流量系数、喷雾动量通量和有效射流速度，结果表明数值模拟结果与实验测量值吻合较好。在研究锥形喷嘴射流破碎时发现，射流分为完整液柱区和射流破碎区，完整液柱区的扰动沿着距离喷嘴出口的轴向长度增长，受喷射时间的影响较小，射流破碎区的扰动则随着喷射时间变长而剧烈增长，是射流发生破碎的主要因素;表面张力具有抑制液滴雾化和促进燃油液柱与液带破碎的双重作用;气液界面处较大的速度梯度会引起比较明显的粘性热，环境温度升高会降低空气密度，导致气液相间作用力减弱，射流液核变长。