内燃机中的喷雾碰壁过程,以及附壁油膜运动和蒸发等特性显著影响发动机的燃烧和排放。本文以内燃机中的喷雾碰壁过程为研究背景,构建了适用于内燃机条件下的喷雾碰壁、油膜形成、油膜运动及蒸发和油膜分离等相关模型。主要工作如下:(1)针对柴油预混冲量压燃(PCCI)发动机的运行工况建立了一个新的喷雾碰壁模型,该模型考虑了壁面干燥及湿润的情况:壁面干燥时碰壁机理包括沉积与飞溅;当壁面上存在油膜时,碰壁机理包括附着、反弹、铺展以及飞溅。干燥壁面不同机理间的转化临界值考虑了壁面粗糙度的影响,且粗糙度的范围包含了活塞壁面的典型值;对湿润壁面,不同碰壁机理间的转化临界值考虑了油膜厚度的影响。同时对飞溅产生二次液滴的特性进行了升级。通过与大量基础实验的对比发现,新模型比之前模型能更好地再现实验结果。最后,耦合了新模型的KIVA-3V程序用来预测一台PCCI柴油发动机的燃烧与排放特性;同时研究了喷射时刻对于喷雾碰壁以及燃油/空气混合过程的影响。(2)根据喷雾碰壁的实验结果建立了一个新的飞溅质量比例经验公式。通过与大量实验数据的对比,结果显示新公式可以较原有模型更加准确地预测油膜附壁量随各种因素的变化趋势。在此基础上通过耦合新模型于KIVA-3V程序,在定容弹里系统地研究了在PCCI发动机早喷工况下环境温度和密度、喷孔直径和喷射压力、碰壁距离以及燃油喷射量对油膜附壁量的影响。最后根据量纲分析以及幂次律尺度方法,分别在常温以及高温条件下建立了油膜附壁量的无量纲预测公式。(3)建立了一个改进的基于拉格朗日型的油膜运动、传热和蒸发模型。在油膜运动方面,改进的模型采用了一个分布均匀的动量源项来描述液滴/油膜间的相互作用;同时考虑了沉积液滴由于变形而产生的粘性耗散对油膜运动的影响。在传热蒸发方面,考虑了变密度湍流流动对于气体/壁面间传热的影响,并通过传热传质的类比来考虑刘易斯数的变化对于传质系数的影响。结果显示,改进的模型较原有模型可以更好地预测发动机类似工况下喷雾碰壁过程中油膜的运动、传热和蒸发特性。(4)对喷雾碰壁过程中附壁油膜在拐角处分离破碎特性进行数值模拟以及实验方面的研究。首先建立了一个新的油膜分离破碎模型。同时,为了验证新模型以及深入地理解喷雾碰壁过程中附壁油膜在拐角处分离及破碎特性,实验探索了喷射压力、碰壁距离和拐角角度对于碰壁喷雾演变过程和拐角后油膜运动特性的影响,并测量了破碎产生的分离液滴的粒径分布特性。此外,将新的油膜分离破碎模型加入到KIVA-3V中,并通过与上述实验结果的对比来检测新模型的准确性,并与之前经典模型的计算结果进行了比较。结果表明,新提出的新模型可以更为准确地再现各种工况下喷雾碰壁过程中油膜在拐角处的分离及破碎特性。(5)建立了一个改进的离散多组分准维油膜蒸发模型。改进的模型包括三个子模型:液相、气相以及气液平衡相。液相子模型采用了一个高次多项式来描述液相内的温度以及组分质量分数分布;气相子模型通过采用Chilton-Colburn类比来考虑刘易斯数的变化对于传质系数的影响;气液平衡相则考虑真实气体行为对于气液平衡相的影响。首先系统探索了应用广泛的线性温度模型的误差分布;同时基于改进的准维模型,探讨了油膜内部热量以及质量扩散对于蒸发过程的影响。最后,将改进的准维、线性温度以及一维油膜蒸发模型加入到KIVA-3V中,研究柴油油膜在后台阶流以及发动机中的蒸发历程并系统比较不同模型的计算精度与效率。结果表明,改进的准维模型同时具有较高的计算精度与效率。