汽车领域作为重要的碳排放和污染物排放来源而受到广泛关注。由于氢气具有良好的燃烧特性和排放特性，氢内燃机汽车具有良好的发展前景。为了进一步研究气体燃料的射流形态和燃料与空气混合的过程，针对透明气体流动的光学诊断技术因其在气体燃料开发与利用、气动实验研究及排放特性研究等领域的关键作用而备受关注。传统方法的局限性在于透明气体流动的直接测量难度较高，且二维重建方法对复杂流场的表征效果欠佳，亟需发展具备透明气体流场可视化功能的三维先进测试手段。为此，本文开发了一种新型三维重建技术——基于光线追踪的三维背景导向纹影法（Ray Tracing Three-Dimensional Background-Oriented Schlieren, RT-3D-BOS）。该技术不仅能够通过光线追踪结合龙格-库塔（Runge-Kutta）迭代计算光线在非均匀流场中的传播路径，还可结合三维层析重建方法定量获取透明气体流场的三维密度分布。本文将该技术应用于氢气替代燃料的氦气射流（多孔喷射器）三维密度场重建，并在重建过程中引入不同正则化方法进行验证。实验结果表明，RT-3D-BOS技术能够高效实现复杂三维透明气体密度场的测量；对于层析重建结果，全变分（Total Variation）与Tikhonov正则化策略均能有效抑制噪声干扰，进而提升测量保真度。

为改善重型柴油机瞬态工况下的性能和排放，基于VNT增压器工作特性，以VNT开度控制模式和燃油量变化曲线为控制目标，在1000r/min和1300r/min开展负荷1s内从0%突加至80%的瞬态加载试验研究，探究不同参数组合对发动机瞬态响应和油气匹配影响规律。结果表明：随着VNT开度迅速减小和阶跃油量增加，进气流量、IMEP增大，当量比峰值下降，累计油耗率先减小后增大； VNT快速下降和和减少阶跃油量能同时降低PM和PN；NOx排放跟缸内进气量呈正相关，跟阶跃油量呈负相；采用快速型VNT开度控制曲线和适中型“先急后缓”油量变化曲线的协同策略，在1000r/min时，累计油耗降低12.8%，碳烟排放峰值降低68.2%，IMEP响应速度提高21.4%。

涡轮叶片是燃气轮机核心热端部件，其结构功能复杂，服役环境恶劣，离心力、气动力和热应力等载荷复杂严苛，同时不同部位载荷差异明显，为准确探明服役过程中叶片损伤分布与随工况演化规律，准确掌握涡轮叶片温度、应力分布具有重要意义。本文基于有限元方法开展涡轮叶片的流-热-固耦合仿真研究，建立了涡轮叶片及内外流道有限元模型，计算三种典型工况下的涡轮叶片温度场、应力场分布，获取各涡轮叶片典型部位的服役温度与应力。研究结论显示，涡轮叶片的高温区域主要出现在叶身尾缘中部区域，其次为叶身前缘靠近叶尖区域，叶身根部与冷却流道附近温度明显较低；高应力区域主要为叶身前缘与叶背中部区域，并且在冷却流道附近分布有条状高应力区域。

该研究提出一种结合模型降阶与机器学习的等离子体辅助燃烧（PAC）机理简化方法，应用于 NH₃/ 空气体系。针对非定常三维反应器点火过程模拟的高精度需求，研究综合运用带误差传播的等离子体定向关系图方法、深度优先搜索方法和反应路径分析方法实现机理初步简化，通过主成分分析对温度及物种浓度进行降维以筛选关键变量，最终依托多模型集成框架构建关键变量与预测输出间的非线性映射，从而提升温度及主要物种浓度的预测精度和效率。该方法为 NH₃/ 空气 PAC 建模提供了高效数值模拟手段，并为探索等离子体与燃烧耦合机制开辟了新思路。

以某型非道路高压共轨柴油机的缸套为研究对象，基于弹性流体动力润滑理论，使用有限元方法，综合考虑柔性体弹性变形，建立活塞-连杆-曲轴-缸套多体动力学仿真模型。研究了五种不同的缸套预补偿设计方案对活塞动力学及裙部摩擦和润滑特性的影响，研究表明瓶颈形方案相较原机方案，裙部的总摩擦损失平均值降低了20.8%；裙部平均粗糙接触压力的极大值降低了19.7%；活塞最大径向位移仅增加0.001mm，且最大偏摆角仅增加0.009deg。

以某非道路高压共轨柴油机的活塞-缸套摩擦副为研究对象，基于密封与摩擦性能相关理论，搭建了活塞环组动力学模型和裙部弹性流体动力润滑模型，研究了缸套失圆变形特征对活塞动力学及活塞-缸套摩擦副密封与摩擦特性的影响。基于预补偿设计原理和热机耦合作用下的缸套失圆变形结果，提出了五种具有不同型线的缸套预补偿设计方案，研究了不同缸套预补偿设计方案对活塞动力学及活塞-缸套摩擦副密封与摩擦特性的影响。并基于以上研究结果，选取椭圆-纺锤复合形方案进一步分析了活塞设计参数分别对活塞-缸套摩擦副密封与摩擦特性的影响研究。结果表明，在五种预补偿方案中，椭圆-纺锤复合形方案能够明显改善活塞-缸套摩擦副密封与摩擦性能，使用椭圆-纺锤复合形缸套后的发动机机油消耗量平均值为3.16 g/h，与原机方案相比减小了2.46 %。在一个工作循环内的窜气量平均值均为10.79 L/min，相较于原机方案减小了5.76 %。与原机方案相比，椭圆-纺锤复合形方案在一个工作循环内使环组总摩擦损失平均值降低了0.013 kW。

本文针对高强化柴油机活塞的稳态传热路径展开研究，旨在揭示不同热源温度下传热分布规律。通过搭建稳态试验台，采用42CrMo材料平顶活塞，分别在673K和773K热源温度下开展20分钟稳态试验，结合热电偶测温与ANSYS仿真标定，分析了忽略冷却水和润滑油影响的传热路径特征。试验结果表明，仿真与实测温度误差低于5%，验证了模型的可靠性。传热路径可分为六类：活塞-火力岸-缸套、活塞-空气、活塞-活塞环-缸套、活塞-活塞环-活塞、活塞-环岸-缸套及活塞-裙部-缸套。其中，火力岸-缸套路径占主导，而活塞环组与裙部传热占比随温度升高显著降低。温度提升导致活塞-空气传热比例增加，推测与缸内气体流动复杂性增强有关。并且分析与传统凹坑活塞相比，平顶设计及较长的火力岸结构导致更多热量通过火力岸传递，而非活塞环组。本研究对设计结构更为复杂的高强化发动机的活塞提供了重要参考。

针对传统安全分析方法对氢燃料电池发动机系统的动态安全风险分析的困难性，提出功能共振分析（Functional Resonance Analysis Method, FRAM）与有限状态机网络（Finite State Machines Network, FSMN）的集成方法。通过分析某型氢燃料电池发动机系统在机械、化学与控制维度的失效机理，构建其FRAM功能网络模型，结合FSMN建立设备状态转移规则，动态推演多组件失效的级联效应。该方法创新性地构建了功能网络与状态机网络的映射架构，通过事件驱动机制实现半自动化推演。基于模型推测出了多种潜在的失效传播路径，并选择了三个具有代表性的失效传播过程，解析了机械、化学、控制等多领域失效因子的耦合，揭示传统分析方法难以捕捉的隐性共振机制。相较于传统方法，FRAM-FSMN有较高的级联失效路径的识别效率，覆盖了难以捕捉的耦合失效风险，通过推演案例分析并通过基于模糊评价矩阵的量化评估方法计算验证，结果表明，氢氧互窜（综合危害值5.16）、电池管理系统失效（综合危害值4.98）和膜电极破裂（综合危害值4.92）为前三大高风险失效模式，该方法可为氢燃料电池发动机系统的冗余设计、控制策略优化和安全标准制定提供理论支撑。

本文中对比例放大喷孔中的空化脱落现象进行了实验和数值模拟研究，使用了欧拉-拉格朗日方法对气相结 构进行模拟，对于宏观结构，汽液交接面使用宏观的方法捕捉，而微观的离散气泡使用拉格朗日方法进行捕捉。通 过和实验对比，表明了VOF-DBM 多尺度方法有更好的一致性，更好的捕捉了其脱落特征以及脱落频率。结果表 明，空化数为2.04时，此时空化初生，空化数为1.64时，在整个周期中出现了两次脱落，第一次脱落是由于回射 流导致的，第二次空化脱落是由于回射流和凝结激波共同作用下导致的，空化数为1.39时，一个周期中同样出现 了两次脱落，第一次脱落是由于回射流和凝结激波共同作用下导致的，第二次脱落是由于回射流和压力波动的共 同作用下导致的。

引燃柴油燃烧为天然气燃烧过程提供加热效应与化学动力学效应，氢气的引入可改善整体燃烧过程，但不同掺氢比下引燃柴油两种效应的变化规律尚不明确。为解耦氢气氛围下引燃柴油两种效应，本研究通过数值模拟结合化学惰性化方法与分段变组份方法展开详细研究。基于一台六缸增压中冷柴油/天然气双燃料重型发动机展开研究。结果表明：随着掺氢比增加，引燃柴油化学动力学效应呈减弱趋势，加热效应相反变化趋势。氢气的燃烧抑制了引燃柴油生成的高活性中间产物，此为化学动力学效应减弱的原因。当掺氢比增加时，引燃柴油重要中间产物甲醛分布与浓度均呈现降低趋势，缸内放热区域与高温区域均呈现扩大趋势。