液体燃料的雾化过程是一个多相、多尺度的物理过程,存在着湍流、界面运动等诸多复杂物理场的相互作用,本文基于高精度直接数值模拟理论,发展了适合大规模并行计算的气液两相流动的直接数值模拟方法和计算平台,分别对变形液滴的非稳态曳力系数、湍流中液滴的破碎以及雾化模型、旋转射流雾化进行了研究,以揭示液体射流的雾化机理以及湍流/界面相互作用的基本规律。本文首先发展了 一种守恒型的界面追踪方法,使之适用于大规模雾化的直接数值模拟研究中。气液两相流的直接数值模拟存在诸多困难,例如长度尺度和时间尺度可以变化数个量级、气液相界面的高精度追踪、界面处存在物性参数的不连续性、表面张力的奇异性、湍流与一次雾化的相互作用、相界面频繁发生拓扑变化等。针对这些困难,本文在原有计算平台的基础上,发展了一套质量守恒型的界面追踪方法(Level Set方法)来模拟气液两相流。传统的Level Set方法由于输运方程的离散以及重新初始化过程而存在质量不守恒的缺陷,本文针对该缺陷,提出了基于界面局部曲率修正质量损失的守恒型Level Set方法。该方法主要通过三个步骤实现,从Level Set标量场得到网格中液体质量分数标量场、根据界面曲率修正得到守恒的液体质量分数、根据液体质量分数得到Level Set标量场。通过Zalesak’s disk,二维变形速度场和三维变形速度场等验证性算例验证了该方法的准确性,其后将其应用于双液滴碰撞、液滴撞击液膜和旋流雾化的算例,与实验数据结果吻合,从而表明利用发展的界面追踪算法可以对旋流雾化进行大规模的直接数值模拟研究。本文对液滴的变形进行了直接数值模拟,以研究变形液滴的曳力系数变化规律。我们采用了与旋流雾化工况条件下相一致的密度比和粘度比,在大范围的韦伯数和雷诺数区间,对非稳态的曳力系数进行研究。研究结果表明,液滴的运动形式类似于水母的运动方式,液滴前缘的涡结构由最初的对称分布逐渐发展为非对称分布,呈现卡门涡街的类似结构。液滴受到的曳力系数可以表示为雷诺数和非稳态项的函数关系(其中非稳态项包括了密度比),而本文考虑到液滴变形和内部环流的影响,可以总结为液滴受到的曳力系数为雷诺数、韦伯数、粘度比和非稳态项的函数关系,其中,韦伯数表征液滴变形程度,粘度比表征液滴内部环流的强弱。研究结果表明在该减速相对运动中,非稳态曳力系数总是大于稳态曳力系数。研究结果表明非稳态项(包含密度比)对非稳态曳力系数产生最重要的影响,韦伯数次之,由于较小的Ohnesorge数,粘度比对非稳态曳力系数影响较小。最后,我们得出在较小(韦伯数小于5)液滴变形条件下,稳态曳力系数和非稳态曳力系数之差与非稳态系数呈线性相关,其中非稳态项的液滴直径可以改进为韦伯数的关系式。而对于较大韦伯数(不超过破碎极限),这样的线性相关性不成立。本文对均匀各向同性湍流中液滴的破碎进行了直接数值模拟,以研究湍流/界面的相互作用规律以及ELSA雾化模型的评估与改进。通过在动量方程右端加入力源项,并且时刻求解两个关于湍动能的方程,从而获得湍动能保持不变的强制均匀各向同性湍流。研究结果表明,高韦伯数导致液滴更易破碎为更小的液滴,液滴分布近似于对数正态分布。对湍流涡结构的分析表明,液滴内部由于受到表面张力的影响,局部的应变产生受到抑制。分析湍流结构和界面的相互作用表明,运动的界面产生平行于界面的湍流涡结构。界面与涡量场存在强相关性,而非速度场。在不同Weber数下,气相区域的平均拟涡能大小随时间而增加,然而液相区域的平均拟涡能大小随时间而减小。在变形初期,涡结构呈平行于界面的状态,然而在发展后期,这种正交性逐渐减弱,随着韦伯数的增加,这种正交性减弱的趋势更加明显。这是由于在较大韦伯数的情况下,表面张力极大程度的阻碍了由于湍流应变运动产生的界面变形。在湍流破碎的数据库基础上,我们又考虑了实际发动机内部密度比和粘度比的范围,进而展开对改进“欧拉-拉格朗日雾化模型(ELSA)”的研究。在该模型中,我们改进了平衡韦伯数的定义,并对湍流源项的二次形式进行了验证。本文对旋转射流雾化进行了直接数值模拟,以研究旋转射流中液膜的形成、液桥的形成、液滴形成的机理以及湍流对雾化的影响。研究结果表明,Rayleigh-Taylor不稳定性是主导液膜一次破碎的原因。湍流入口增强了流动的不稳定性,导致了液滴的径向弥散和与空气的混合。湍流入口可以导致液膜快速破碎,减弱液膜的刚性,并且导致径向小尺度液体结构的均匀分布。与单相射流相比,两相射流下游区域表现出强烈的湍流特性,这也增强了液滴和周围空气的混合程度。在两相射流中并未出现旋进涡核(PVC)。此外,对于湍流入口条件下,回流区更小并且更加远离喷口。对于涡矢量和中间应变率的关联性研究表明,在回流区呈现出均匀各向同性的特性。界面和涡矢量的相互作用结果表明在液膜附近产生强烈的剪切层,增强了小尺度各向异性的特性。研究结果表明,表面张力项、压差项和旋流项控制着液膜的形成,液桥的形成主要是由液膜前缘、液洞的扩展和拉伸,而液滴主要是由前缘液桥断裂和中心液膜的拉伸而形成。