在能源短缺和环境污染问题的背景下,柴油机将向更清洁高效的方向发展。发展柴油机新型燃烧技术需对喷雾燃烧过程进行深入分析,捕捉燃烧过程的细节特征。现阶段大部分应用于内燃机研究的组分输运及化学反应相关模型,在化学反应机理、网格尺度平均信息以及模型适用范围等方面不够完善,无法准确获取燃烧细节特征。概率密度函数输运方程模型(transported PDF,或简称PDF)在理论研究型火焰中取得良好的结果,正逐步应用于工程实际分析中。本文研究旨在将PDF方法应用于柴油机喷雾燃烧,以期进一步揭示喷雾燃烧这一复杂瞬变过程,为实现柴油机喷雾燃烧过程的有效控制提供理论基础。本文采用PDF和WSR两种模型开展了模拟计算,具体研究内容如下。首先,基于定容燃烧弹建立了三维物理模型并开展冷态喷雾模拟分析。以柴油机上止点工况温度和压力作为初始条件,获得冷态喷雾贯穿距、混合分数分布等信息,与实验结果进行了对比分析。结果表明:两种模型均能较为准确的预测出冷态喷雾结构特征,PDF模型对混合分数方差的预测与实验结果有一定偏差。其次,开展了不同环境温度及氧浓度下的喷雾燃烧研究。结果表明:采用PDF模型在较高温度和氧浓度时,更为准确地预测了着火延迟(ignition delay)与火焰浮升长度(lift-off length)等宏观物理量;在低温低氧浓度工况时,由于化学反应机理限制,误差逐渐增大。通过对比分析PDF和WSR模型流场中OH组分质量分数分布,发现PDF模型能够很好地捕捉热化学状态变化剧烈位置的脉动状态信息,因而更好地反映出火焰面所在位置。比较PDF和WSR模型准稳态火焰结构形态差异,发现PDF模型能更为准确地预测出火焰结构中的高温反应区域和高当量比反应区域。最后,开展不同工况下准稳态和瞬态火焰结构及形态的分析。结果表明:在准稳态下,随环境氧浓度下降,火焰最高温度下降,扩散与浓预混燃烧区温度差逐渐减小;环境温度下降会导致整体燃烧当量比下降,且在低氧浓度下更明显。在瞬态下,降低初始环境氧浓度会使燃料相对变浓,着火延迟时间和对流扩散混合时间变长,火焰发展速度变慢,但单独降低初始氧浓度并不能降低初始温升的当量比;降低初始环境温度不但可以抑制高当量比区域的初始温升,使着火延迟时间变长,促使形成相对更低的预混当量比,而且能抑制准稳态燃烧火焰结构中高当量比预混反应区的形成。从上述研究可知,环境温度及氧浓度是控制喷雾燃烧浓混合区初始温升,实现柴油机清洁高效燃烧的关键因素。本研究展现了PDF方法在柴油机喷雾燃烧模拟中的广泛应用前景。