能源危机和环境保护成为了人类可持续发展所要面临的两大主题，而柴油机作为石油资源的消耗者和大气污染来源得到了研究者的广泛关注。随着计算机技术和多维计算流体力学(Computational Fluid Mechanics, CFD)的发展，数值模拟计算已被成功地应用于柴油机缸内工作过程的研究。本文基于GTEA(General Transportation Equation Analysis)程序建立的数值模型研究了柴油和生物柴油的雾化、燃烧和排放等过程，主要目的是通过数值模拟计算更好地理解柴油机缸内工作过程，同时提高数值模型的计算精度。本文的主要工作有：
　　(1)针对柴油机缸内工作过程建立了一套由燃油喷射、液滴运动、液滴追踪、液滴破碎、液滴碰撞、液滴蒸发、液滴碰壁、湍流扩散等子模型组成的完整的燃油雾化模型。通过大量基础实验结果的对比发现，该雾化模型能够有效模拟计算不同工况下燃油雾化、蒸发和碰壁过程，更好地再现实验结果。
　　(2)建立了考虑喷嘴内部湍流影响的液滴破碎模型。该液滴破碎模型包含多种影响液滴破碎的因素，分为初次雾化和二次雾化过程。将喷嘴内部湍流扰动量用湍流长度和时间尺度来表示，并以权重的形式加入初次破碎模型中，根据液滴的变形量采用TAB与KH-RT液滴破碎模型竞争的机制来计算液滴二次破碎。计算结果表明新液滴破碎模型的计算精度明显优于其他液滴破碎模型。
　　(3)结合新的液滴破碎模型系统的进行了燃油雾化、蒸发和碰壁等问题的计算，同时对比研究了不同液滴破碎模型、液滴碰壁模型的计算精度，讨论了燃油雾化过程对后期燃油碰壁过程的影响。计算结果表明燃油良好的雾化有利于燃油快速蒸发，雾化过程的准确计算是燃油碰壁问题研究的基础，同时研究发现喷嘴内部湍流运动影响燃油雾化的宏观形态和液滴碰壁特性。
　　(4)将GTEA程序与详细化学反应动力学程序(CHEMKIN)耦合起来，并将Shell/CTC燃烧模型加入GTEA程序中。采用基于MPI(Message Passing Interface)并行策略有效的解决了燃烧过程化学反应计算量过大的问题。应用GTEA程序成功的计算了不同工况下点火延迟和火焰浮起长度的变化，并研究了二者之间的关系，结合新的液滴破碎模型研究了喷嘴内部湍流运动对燃烧过程的影响。计算结果表明喷嘴内部湍流运动可以有效减少火焰浮起长度。
　　(5)应用建立的碳烟模型研究了不同工况下的碳烟排放过程，讨论了火焰浮起长度与碳烟排放之间的关系，分析了燃油雾化过程对碳烟排放量的影响，研究表明喷嘴内部湍流运动会减少碳烟的生成量。此外，对不同柴油机缸内工作过程进行数值计算，结果表明本文建立的数值模拟程序更够准确预测缸内压力、放热率变化规律，以及碳氢(HC)、一氧化碳(CO)、碳烟(Soot)和氮氧化物(NOx)排放。
　　(6)在GTEA程序上添加了特定生物柴油物性，计算了生物柴油雾化、燃烧、排放等过程，同时研究了以生物柴油为燃料的柴油机缸内工作过程。主要讨论了燃油物性对生物柴油雾化的影响，分析了不同工况下生物柴油的点火和火焰浮起长度的特征，讨论了生物柴油排放的特点。研究发现喷嘴直径的变化可以减少生物柴油贯穿距、点火延迟和火焰浮起长度，但不能有效的减少生物柴油NOx的排放。