近年来各国将目光投向了新型替代燃料发动机的研究,其中以天然气为代表的气体燃料发动机具备很大的潜力和广阔的应用前景,缸内直喷方式正在成为提高天然气发动机动力性和排放特性的强有力技术途径,但直喷天然气发动机面临着混合气恶化和燃烧不稳定等问题,因此直喷天然气发动机喷射混合机理和火焰传播特性等方面的研究正在成为天然气发动机领域的研究热点问题。本文开展了缸内喷射混合和燃烧特性的多维数值模拟研究,研究工作阐明了直喷天然气发动机着火前缸内大尺度涡团演变历程和混合气形成机理,揭示了直喷天然气发动机缸内燃烧过程中组分分布规律以及关键影响因素与火焰面发展的内在联系,进一步研究发动机替代燃料的燃烧特性及机理,为清洁高效直喷天然气发动机的设计开发提供理论依据,深化内燃机气体燃料燃烧特性的基础理论研究。建立了包括虚拟喷射器子模型和气相喷射子模型的甲烷欠膨胀喷射仿真分析模型。基于气体燃料欠膨胀射流理论建立了甲烷欠膨胀喷射的虚拟喷射器子模型,基于大涡模拟方法,耦合拉格朗日粒子追踪方法和甲烷热物性参数计算模型,建立了甲烷的气相喷射子模型。在定容燃烧弹内开展了甲烷欠膨胀喷射的可视化实验研究,对甲烷欠膨胀喷射仿真分析模型进行了验证。开展了甲烷欠膨胀喷射仿真分析模型的敏感性分析。提出了含有61个组分和666步反应的甲烷详细化学反应机理,并结合DRG、DRGEP、SA和CSP重要指标等方法对详细机理简化,提出了含有44个组分和267步反应的甲烷化学反应骨架机理。通过层流燃烧速度、着火延迟时间和部分组分浓度分布的实验结果对骨架机理进行了验证。通过反应敏感性分析和组分生成速率分析,研究了常温常压和常温高压下不同混合气当量比时甲烷/空气火焰中NOx生成的主要反应路径,结果表明:在常温常压稀燃火焰中,热力型反应路径主导NOx的生成,然后是N2O反应路径和快速型反应路径,在常温高压稀燃火焰中,N2O反应路径则成为NOx生成的主导路径;当量比为1时,热力型反应路径在不同初始压力下都主导NOx的生成。开展了直喷天然气发动机缸内湍流燃烧过程计算模型及算法的研究。建立了耦合ISAT方法的DTF-LES湍流燃烧模型,在模型中提出了基于局部网格单元尺寸和层流火焰厚度实现火焰增厚因子实时计算的方法,提出了应用针对氧原子平衡的反应进程变量实现火焰褶皱因子实时计算的方法,在模型中耦合了甲烷化学反应骨架机理,并耦合ISAT方法实现燃烧过程中化学反应动力学的高效求解。提出了发动机燃烧系统三维几何模型和网格的自动生成方法,耦合非结构化多面体网格顶点运动算法和网格体积拉伸算法,提出了发动机网格移动方法。开展了直喷天然气发动机缸内喷射混合和燃烧特性的数值模拟分析,研究了进气和压缩冲程中各阶段缸内大尺度涡团分布特点,揭示了不同燃料喷射定时下缸内大尺度涡团的演变规律;研究了缸内混合气形成历程及其与燃料喷射定时的内在联系;研究了缸内燃烧过程中部分组分的分布规律,获得了火焰面密度、火焰面拉伸率、火焰面曲率、切向应变率和火焰位移速度等缸内火焰面发展特征参量的分布与变化规律;开展了直喷天然气发动机缸内燃烧特性的影响因素分析。计算分析可知:1.缸内大尺度涡团主要是在甲烷燃料射流撞壁后而形成,燃料喷射定时延迟,甲烷射流贯穿进程延迟,大尺度涡团形成、移动和破碎的进程被推迟。缸内大量可燃混合气主要在射流撞壁后开始形成;理论过量空气系数下,随着燃料喷射定时延迟,点火时刻混合气当量比分布拓宽,非均质程度增高。2.在温度低于1800K的缸内区域内,NO主要通过N02转化而来,温度高于1800 K缸内区域,NO主要通过热力型反应路径生成。在缸内火焰面上,从未燃侧到已燃侧,火焰面密度变化存在峰值,火焰面位移速度和切向应变率递增,火焰面曲率递减,火焰面拉伸率的变化趋势由传播速率项主导。3.理论过量空气系数下,燃料喷射定时或点火位置不同,发动机缸内点火位置附近混合气当量比分布具有较大差异,导致火焰传播初期缸内燃烧形式和火焰面位移速度的变化趋势差别较大,进而影响发动机缸内燃烧爆发压力和燃料消耗速率。图91幅,表12个,参考文献237篇。